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SiC MOSFET的設計挑戰——如何平衡性能與可靠性

英飛凌工業半導體 ? 2023-04-13 15:40 ? 次閱讀

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。

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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。

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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??拷缑娴臇艠O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]。

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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。

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圖4:CoolSiC MOSFET元胞結構剖面圖

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