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1、前言 功率MOSFET数据表通常列出了Rg、Ciss、Crss、Coss的典型、最小及最大值，同时也列出了栅极电荷Qgs、Qgd和Qg。通常也列出了阻性负载开关过程中的开关时间值：t(on)、trise、td(off)和tfall。 器件参数Qgs、Qgd以及Qg分别和参数Ciss及Crss对应，一旦测量了器件的电容，就可能保证栅极电荷的参数值。栅极需要得到电荷，从而使栅极的电压从0V增加到一定的电压值，而且在电压范围内，其集成的电容具有非线性。 开关时间的测量由下面的因素来控制区： t(on) – Rg、Ciss、Vth和gm，与器件及栅极的驱动器特性相关。 trise – Rg、Crss、Ciss、gm、Vth和Ls，与器件、栅极的驱动器特性、RL及电路设计的杂散电感相关。 td(off) – Rg、Ciss、Vth和gm，与器件及栅极的驱动器特性相关。 tfall – Rg、Crss、Ciss、gm、Vth和Ls，与器件、栅极的驱动器特性、RL及电路设计的杂散电感相关。 对于一个器件，在静态测试中，一旦与Vth及gm一起测量Rg、Ciss和Crss，在固定的开关频率下，可以保证器件的开关参数。封装的杂散电感没有测量，但由于它仅仅依赖于线的数目及布置，严格的控制这个参数可以确保Ls很小的变化。因此测量Rg、Ciss、Crss和Coss就足以保证器件的栅极电荷和开关时间参数，包括Coss，这也含盖了影响MOSFET开关损耗的所有器件参数。 2、动态参数的物理特性 2.1 栅极电阻 功率MOSFET的栅极分布电阻如图1所示。对于一个给定设计的器件Rg由下列因素控制： · 多晶硅薄膜电阻率、宽度及厚度控制； · 栅极和多晶硅接触电阻； · 栅极金属薄膜电阻率及宽度控制； · 封装的栅极电阻通常对Rg的影响非常小，变化也非常小，可以忽略。 对于每一片的晶片，一条长的多晶硅电阻用来检测多晶硅的线电阻率。在每一个生产的晶片上都有用于测试标准的工艺控制的检测器PCM，在位于PCM的结构上进行四个管脚的Kelvin测试。典型的AOS产品的Rpoly性能如图2所示。栅极金属和多晶硅的连接电阻使用4管脚的Kelvin结构来检测。Rgks使用同样的方式由PCM检测，典型的AOS产品的Rgks性能如图3所示。 对于每一个生产的晶片，1000um长、10um宽的金属总线的金属薄膜电阻率使用位于标准的工艺控制的检测器PCM上的结构来检测。典型的AOS产品的Rmet性能如图4所示，AOS产品的这些参数控制区非常好。
图1：功率MOSFET栅极电阻的模型表示 蓝色是围绕器件栅极金属总线，此条件下栅极焊盘位于角落处。栅极多晶硅为红色，在晶元边沿其连接到金属总线上。图中示出了沿着栅极多晶硅分布的、和硅片的源极及漏极区域间的分布的电容。
图2：高压平面MOSFET多晶硅电阻率检测
图3：高压平面MOSFET栅极连接电阻检测
图4：高压平面MOSFET的1000um长、10um宽金属线电阻率检测 图2、图3和图4中，注意中间10th和90th百分线相互非常接近，表明对金属电阻率、线宽和薄膜厚在工艺上都进行严格控制，此图覆盖一定的时间段。 现在考虑图1中的MOSFET的Rg分布特性。如果任何一个连接不是完全开放的或者一个小区域有高的Rpoly，这对于Rg或器件没有或有很小的影响，因为栅极的信号将从多个并联路径中最近的路径通过。 如果一个完整的器件Rpoly、Rmet或Rgks有问题，只有当一个晶片或晶片一部份同样的参数有问题时，这种现象才会发生。通过在晶片的中间、边沿放置PCM来检测这种问题。 对于功率MOSFET低Rg设计，晶片级的Rg测量传统上一直都认为相当困难，因此在最终测试地点，AOS通常在现场使用一个工装对其做100%测试，然后使用专门的技术正确的测量器件的在晶片级的Rg；同时测量偏置的Ciss、Crss、Coss和静态参数。这种技术应用晶片的200个位置取样，以100%保证数据表中的Rg、Ciss、Crss和Coss参数。在最终的测试中，Rg 也100%的全检测以保证栅极线很好的连接到栅极焊盘。进一步的，栅极电荷和开关时间参数也是100%保证。 图5示出了一个晶片的Rg的典型分布，图6示出了典型的晶片图。大部分的Rg漂移尽管很小，但的确可以取得测试器的限制。图7比较了同一个器件晶片探针和封装后器件测试的结果。图8示出了一个典型的产量高的AOS产品的批次和批次间随时间变化控制图。Rg定义的保护带中大部分应用于处理测试的能力，而不取决于真正的晶片工艺能力。
图5：晶片的Rg典型分布图
图6：典型的Rg分布晶片图 测试的行和列数量用粗体字标出，真正的值在晶片图中示出，这些值有非常严格分布。
图7：晶片级和封装级的Rg测量比较 结果表明可以得到非常好的一致性。
图8：平面高压MOSFET管AOTF10N60批次对批次的Rg的趋势图 注意到10th到90th百分点线，正好群集在中间线附近，大部分的变化真正的精确测试。 2.2 器件电容 就结构性的电容来说，数据表中的电容定义如下： Ciss = Cgs + Cgd Crss= Cgd Coss = Cgd + Cds 平面MOSFET的Ciss由以下因素决定： · 设计参数如多晶硅的宽度，晶胞斜度； · 栅极氧化层厚度和一致性； · 源极-体-Epi掺杂轮廓； · 栅极多晶硅掺杂通常不是一个因素，由于其是退化的掺杂。 栅极的多晶硅和源极通道区域的电容决定了这些参数，其不具有偏向的敏感度，也非常容易重现。 高压平面功率MOSFET的Crss由以下因素决定： ·设计参数如多晶硅的宽度，晶胞斜度； ·栅极氧化层厚度和一致性； · 体水平扩散，决定了JFET区域的宽度； · 体-Epi和JFET区域的掺杂轮廓； ·栅极多晶硅掺杂通常不是一个因素，由于其是退化的掺杂； JFET区域的宽度，JFET轮廓和epi掺杂轮廓主导着这个参数。 高压平面功率MOSFET的Coss以下因素决定： · 所有影响Crss参数，由于它是Coss一部分； · 体二极管p-n结区域和掺杂轮廓。
图10：高压平面功率MOSFET电容 图10展示了一个晶片上这些参数的典型分布，图11展示了同样分由的晶片图。
图10：AOTF10N60晶片上200个测试位置点Ciss，Crss和Coss分布 结果表明具有非常好的工艺控制，导致非常严格的参数分布。
图11：Ciss晶片图数据展示晶片上Ciss具有严格参数分布
图12：AOTF10N60的Ciss的批次对批次变化
图13：AOTF10N60的Crss的批次对批次变化
图14：AOTF10N60的Coss的批次对批次变化 图12、图13和图14示出了典型产品批次对批次的变化，注意到严格的10th到90th百分点线，正好群集在中间线附近。这表明的严格控制工艺控制。随着静态参数数据BVDSS变化，这些电容参数也会微小的变化，Rds和晶片图模式有助于决定是否是引入的材料、或工艺控制因素起作用，从而影响AC参数，并提供一个强大的工具用于持续的改进。 3、结论 展示了晶片级的抽样测量MOSFET参数如Rg、Crss、Ciss和Coss，它们是100%检测以保证器件的开关参数Qgs、Qgd、Qg、td(on)、trise、td(off)和tfall。更宽的测量用来展示精确度和晶片级的测量原理的有效性。工艺级的结构参数和真正测量的Rg和电容的趋势图也同时示出。优异的工艺控制表明会对MOSFET的Rg和器件电容进行优异的控制。 |
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