SiC MOSFET的設計挑戰——如何平衡性能與可靠性

作者簡介

作者：Friedrichs Peter

翻譯：趙佳

碳化硅（SiC）的性能潛力是毋庸置疑的，但設計者必須掌握一個關鍵的挑戰：確定哪種設計方法能夠在其應用中取得最大的成功。

先進的器件設計都會非常關注導通電阻，將其作為特定技術的主要基準參數。然而，工程師們必須在主要性能指標（如電阻和開關損耗），與實際應用需考慮的其他因素（如足夠的可靠性）之間找到適當的平衡。

優秀的器件應該允許一定的設計自由度，以便在不對工藝和版圖進行重大改變的情況下適應各種工況的需要。然而，關鍵的性能指標仍然是盡可能低的比電阻，并結合其他重要的參數。圖1顯示了我們認為必不可少的幾個標準，或許還可以增加更多。

圖1：SiC MOSFET的魯棒性和制造穩定性（右）必須與性能參數（左）相平衡

元件在其目標應用的工作條件下的可靠性是最重要的驗收標準之一。與已有的硅(Si)器件的主要區別是：SiC元件在更強的內部電場下工作。因此，設計者應該非常謹慎地分析相關機制。硅和碳化硅器件的共同點是，元件的總電阻是由從漏極和源極的一系列電阻的串聯定義的。

這包括靠近接觸孔的高摻雜區域電阻、溝道電阻、JFET（結型場效應晶體管）區域的電阻以及漂移區電阻（見圖2）。請注意，在高壓硅MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）中，漂移區阻顯然在總電阻中占主導地位。而在碳化硅器件中，工程師可以使用具有更高電導率的漂移區，從而降低漂移區電阻的總比重。

圖2：平面DMOS SiC MOSFET(左)和垂直溝槽TMOS SiC MOSFET的剖面圖，以及與電阻有關的貢獻的相應位置

設計者必須考慮到，MOSFET的關鍵部分——碳化硅外延與柵極氧化層（二氧化硅）之間的界面，與硅相比有以下差異：

SiC的單位面積的表面態密度比Si高，導致Si-和C-懸掛鍵的密度更高。靠近界面的柵極氧化層中的缺陷可能在帶隙內出現，并成為電子的陷阱。

熱生長氧化物的厚度在很大程度上取決于晶面。

與硅器件相比，SiC器件在阻斷模式下的漏極誘導電場要高得多（MV而不是kV）。這就需要采取措施限制柵極氧化物中的電場，以保持氧化物在阻斷階段的可靠性。另見圖3：對于TMOS（溝槽MOSFET），薄弱點是溝槽拐角，而對于DMOS（雙擴散金屬氧化物半導體），薄弱點是元胞的中心。

與Si器件相比，SiC MOS結構在給定的電場下顯示出更高的隧穿電流，因為勢壘高度較低。因此，工程師必須限制界面上SiC一側的電場。

上面提到的界面缺陷導致了非常低的溝道遷移率。因此，溝道對總導通電阻的貢獻很大。所以，SiC相對于硅，因為非常低的漂移區電阻而獲得的優勢，被較高的溝道電阻削弱。

控制柵氧化層的電場強度

一個常用的降低溝道電阻的方法，是在導通狀態下增加施加在柵氧化層上的電場——或者通過更高的柵源(VGS(on))偏壓進行導通，或者使用相當薄的柵極氧化層。所應用的電場超過了通常用于硅基MOSFET器件的數值(4至5MV/cm，而硅中最大為3MV/cm)。在導通狀態下，處于這種高電場的柵氧化層有可能加速老化，并限制了篩選外在氧化物缺陷的能力[1]。

圖3

左圖：平面MOSFET（半元胞）的典型結構。它顯示了與氧化物場應力有關的兩個敏感區域。

右圖：溝槽式MOSFET(半元胞)的典型結構。這里的關鍵問題是溝槽邊角的氧化層應力。

基于這些考慮，很明顯，SiC中的平面MOSFET器件實際上有兩個與氧化物場應力有關的敏感區域，如圖3的左邊部分所示。首先，在反向阻斷模式下，漂移區和柵極氧化物界面存在高電場應力。其次，柵極和源極之間的重疊部分在導通狀態下有應力。

在導通狀態下的高電場被認為是更危險的，因為只要保證導通時的性能，就沒有器件設計措施可以減少導通狀態下的電場應力。我們的總體目標是在盡量減小SiC的RDS(on)的同時，保證柵極氧化層安全可靠。

因此，我們決定放棄DMOS技術，從一開始就專注于溝槽型器件。從具有高缺陷密度的晶面轉向其他更有利的晶面方向，可以在低柵氧化層場強下實現低通道電阻。

我們開發了CoolSiC MOSFET元胞設計，以限制通態和斷態時柵極氧化物中的電場（見圖4）。同時，它為1200V級別提供了一個有吸引力的比導通電阻，即使在大規模生產中也能以穩定和可重復的方式實現。低導通電阻使得VGS(on)電壓可以使用低至15V的偏壓，同時有足夠高的柵源-閾值電壓，通常為4.5V。這些數值是SiC晶體管領域的基準。

該設計的特點包括通過自對準工藝將溝道定位在一個單一的晶面。這確保了最高的溝道遷移率，并縮小了閾值電壓分布范圍。另一個特點是深p型與實際的MOS溝槽在中心相交，以便允許窄的p+到p+間距尺寸，從而有效地屏蔽溝槽氧化層拐角。

總之，我們可以說，應用于我們的CoolSiC器件的設計理念不僅提供了良好的導通電阻，而且還為大規模生產提供了可靠的制造工藝。