英飞凌 | SiC MOSFET的设计挑战——如何平衡性能与可靠性

2023-04-14 11:22:06 478 0 0

碳化硅（SiC）的性能潜力是毋庸置疑的，但设计者必须掌握一个关键的挑战：确定哪种设计方法能够在其应用中取得最大的成功。

先进的器件设计都会非常关注导通电阻，将其作为特定技术的主要基准参数。然而，工程师们必须在主要性能指标（如电阻和开关损耗），与实际应用需考虑的其他因素（如足够的可靠性）之间找到适当的平衡。

优秀的器件应该允许一定的设计自由度，以便在不对工艺和版图进行重大改变的情况下适应各种工况的需要。然而，关键的性能指标仍然是尽可能低的比电阻，并结合其他重要的参数。图1显示了我们认为必不可少的几个标准，或许还可以增加更多。

图1：SiC MOSFET的鲁棒性和制造稳定性（右）必须与性能参数（左）相平衡

元件在其目标应用的工作条件下的可靠性是最重要的验收标准之一。与已有的硅(Si)器件的主要区别是：SiC元件在更强的内部电场下工作。因此，设计者应该非常谨慎地分析相关机制。硅和碳化硅器件的共同点是，元件的总电阻是由从漏极和源极的一系列电阻的串联定义的。

这包括靠近接触孔的高掺杂区域电阻、沟道电阻、JFET（结型场效应晶体管）区域的电阻以及漂移区电阻（见图2）。请注意，在高压硅MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）中，漂移区阻显然在总电阻中占主导地位。而在碳化硅器件中，工程师可以使用具有更高电导率的漂移区，从而降低漂移区电阻的总比重。

图2：平面DMOS SiC MOSFET(左)和垂直沟槽TMOS SiC MOSFET的剖面图，以及与电阻有关的贡献的相应位置

设计者必须考虑到，MOSFET的关键部分——碳化硅外延与栅极氧化层（二氧化硅）之间的界面，与硅相比有以下差异：

SiC的单位面积的表面态密度比Si高，导致Si-和C-悬挂键的密度更高。靠近界面的栅极氧化层中的缺陷可能在带隙内出现，并成为电子的陷阱。
热生长氧化物的厚度在很大程度上取决于晶面。
与硅器件相比，SiC器件在阻断模式下的漏极诱导电场要高得多（MV而不是kV）。这就需要采取措施限制栅极氧化物中的电场，以保持氧化物在阻断阶段的可靠性。另见图3：对于TMOS（沟槽MOSFET），薄弱点是沟槽拐角，而对于DMOS（双扩散金属氧化物半导体），薄弱点是元胞的中心。
与Si器件相比，SiC MOS结构在给定的电场下显示出更高的隧穿电流，因为势垒高度较低。因此，工程师必须限制界面上SiC一侧的电场。

上面提到的界面缺陷导致了非常低的沟道迁移率。因此，沟道对总导通电阻的贡献很大。所以，SiC相对于硅，因为非常低的漂移区电阻而获得的优势，被较高的沟道电阻削弱。

控制栅氧化层的电场强度

一个常用的降低沟道电阻的方法，是在导通状态下增加施加在栅氧化层上的电场——或者通过更高的栅源(VGS(on))偏压进行导通，或者使用相当薄的栅极氧化层。所应用的电场超过了通常用于硅基MOSFET器件的数值(4至5MV/cm，而硅中最大为3MV/cm)。在导通状态下，处于这种高电场的栅氧化层有可能加速老化，并限制了筛选外在氧化物缺陷的能力[1]。

图3

左图：平面MOSFET（半元胞）的典型结构。它显示了与氧化物场应力有关的两个敏感区域。

右图：沟槽式MOSFET(半元胞)的典型结构。这里的关键问题是沟槽边角的氧化层应力。

基于这些考虑，很明显，SiC中的平面MOSFET器件实际上有两个与氧化物场应力有关的敏感区域，如图3的左边部分所示。首先，在反向阻断模式下，漂移区和栅极氧化物界面存在高电场应力。其次，栅极和源极之间的重叠部分在导通状态下有应力。

在导通状态下的高电场被认为是更危险的，因为只要保证导通时的性能，就没有器件设计措施可以减少导通状态下的电场应力。我们的总体目标是在尽量减小SiC的RDS(on)的同时，保证栅极氧化层安全可靠。

因此，我们决定放弃DMOS技术，从一开始就专注于沟槽型器件。从具有高缺陷密度的晶面转向其他更有利的晶面方向，可以在低栅氧化层场强下实现低通道电阻。

我们开发了CoolSiC™ MOSFET元胞设计，以限制通态和断态时栅极氧化物中的电场（见图4）。同时，它为1200V级别提供了一个有吸引力的比导通电阻，即使在大规模生产中也能以稳定和可重复的方式实现。低导通电阻使得VGS(on)电压可以使用低至15V的偏压，同时有足够高的栅源-阈值电压，通常为4.5V。这些数值是SiC晶体管领域的基准。

该设计的特点包括通过自对准工艺将沟道定位在一个单一的晶面。这确保了最高的沟道迁移率，并缩小了阈值电压分布范围。另一个特点是深p型与实际的MOS沟槽在中心相交，以便允许窄的p+到p+间距尺寸，从而有效地屏蔽沟槽氧化层拐角。

总之，我们可以说，应用于我们的CoolSiC™器件的设计理念不仅提供了良好的导通电阻，而且还为大规模生产提供了可靠的制造工艺。