高性能 SiC MOSFET 技術(shù)裝置設(shè)計(jì)理念

合適的設(shè)備概念應(yīng)允許一定的設(shè)計(jì)自由度，以便適應(yīng)各種任務(wù)概況的需求，而無需對(duì)處理和布局進(jìn)行重大改變。然而，關(guān)鍵性能指標(biāo)仍然是所選器件概念的低面積比電阻，與其他列出的參數(shù)相結(jié)合。圖 1 列出了一些被認(rèn)為必不可少的參數(shù)，還可以添加更多參數(shù)。

合適的設(shè)備概念應(yīng)允許一定的設(shè)計(jì)自由度，以便適應(yīng)各種任務(wù)概況的需求，而無需對(duì)處理和布局進(jìn)行重大改變。然而，關(guān)鍵性能指標(biāo)仍然是所選器件概念的低面積比電阻，與其他列出的參數(shù)相結(jié)合。圖 1 列出了一些被認(rèn)為必不可少的參數(shù)，還可以添加更多參數(shù)。

圖 1：必須與 SiC MOSFET 的性能指標(biāo)（左）進(jìn)行平衡的所選參數(shù)（右）

重要的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)之一是設(shè)備在其目標(biāo)應(yīng)用的操作條件下的可靠性。與現(xiàn)有硅器件世界的主要區(qū)別在于，SiC 元件在更高的內(nèi)部電場下工作。相關(guān)機(jī)制需要仔細(xì)分析。它們的共同點(diǎn)是，器件的總電阻由漏極和源極接觸電阻的串聯(lián)定義，包括靠近接觸的高摻雜區(qū)域、溝道電阻、JFET 區(qū)域的電阻以及漂移區(qū)電阻（見圖 2）。請(qǐng)注意，在高壓硅 MOSFET 中，漂移區(qū)明顯主導(dǎo)著總電阻；在 SiC 器件中，該部件可以設(shè)計(jì)為具有如上所述的顯著更高的電導(dǎo)率。

圖 2：平面 DMOS SiC MOSFET 草圖（左）和垂直溝槽 TMOS SiC MOSFET 以及電阻相關(guān)貢獻(xiàn)的相應(yīng)位置

關(guān)于關(guān)鍵 MOSFET 元件 SiC-SiO 2界面，必須考慮與硅相比的以下差異：
與 Si 相比，SiC 具有更高的單位面積原子表面密度，從而導(dǎo)致懸空 Si- 和 C- 鍵的密度更高；位于界面附近的柵氧化層中的缺陷可能出現(xiàn)在能隙中，并充當(dāng)電子的陷阱[1]。
熱生長氧化物的厚度很大程度上取決于晶面。
與 Si 器件相比（MV 而不是 kV），SiC 器件在阻斷模式下工作在更高的漏極感應(yīng)電場下，這需要采取措施限制柵極氧化物中的電場，以維持阻斷階段氧化物的可靠性 [2 ]。另請(qǐng)參見圖 3：對(duì)于 TMOS，關(guān)鍵點(diǎn)是溝槽角，對(duì)于 DMOS，關(guān)鍵點(diǎn)是單元的中心。
由于勢壘高度較小，與 Si 器件相比，SiC MOS 結(jié)構(gòu)在給定電場下表現(xiàn)出更高的 Fowler-Nordheim 電流注入。因此，界面 SiC 側(cè)的電場必須受到限制 [3,4]。
上述界面缺陷導(dǎo)致溝道遷移率非常低。因此，它們導(dǎo)致溝道對(duì)總導(dǎo)通電阻的貢獻(xiàn)很大。因此，SiC 相對(duì)于硅的漂移區(qū)電阻非常低的優(yōu)勢由于高溝道貢獻(xiàn)而被削弱?？朔@一困境的一種觀察到的方法是增加在導(dǎo)通狀態(tài)下施加在氧化物上的電場，或者用于導(dǎo)通的更高的柵極源極（V GS）偏置或者相對(duì)薄的柵極氧化物。所施加的電場超過了硅基 MOSFET 器件中通常使用的值（4 至 5 MV/cm，而硅中為 3 MV/cm）。導(dǎo)通狀態(tài)下氧化物中如此高的磁場可能會(huì)加速磨損，并限制篩選剩余的外在氧化物缺陷的能力[1]。

    圖 3：左圖：平面 MOSFET（半電池）的典型結(jié)構(gòu)，顯示了兩個(gè)關(guān)于氧化物場應(yīng)力的敏感區(qū)域。右圖：溝槽 MOSFET（半電池）的典型結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵問題是溝槽拐角處的氧化物場應(yīng)力。

基于這些考慮，很明顯，SiC 平面 MOSFET 器件實(shí)際上對(duì)氧化物場應(yīng)力有兩個(gè)敏感區(qū)域，如圖 3 左側(cè)部分所示。首先，討論的是電場區(qū)域中反向模式的應(yīng)力其次，靠近漂移區(qū)和柵極氧化物之間的界面，其次是在導(dǎo)通狀態(tài)下受應(yīng)力的柵極和源極之間的重疊。
導(dǎo)通狀態(tài)下的高電場被認(rèn)為更危險(xiǎn)，因?yàn)橹灰仨毐ＷC導(dǎo)通電阻性能，就沒有適當(dāng)?shù)钠骷O(shè)計(jì)措施可以減少導(dǎo)通狀態(tài)下的場應(yīng)力。英飛凌的總體目標(biāo)是結(jié)合低 R DSon由 SiC 提供的工作模式使該部件在眾所周知的安全氧化物場強(qiáng)條件下運(yùn)行。因此，我們決定放棄 DMOS 技術(shù)，從一開始就專注于基于溝槽的器件。遠(yuǎn)離具有高缺陷密度的平面表面，轉(zhuǎn)向其他更有利的表面取向，可以在低氧化物場下實(shí)現(xiàn)低溝道電阻。這些邊界條件是轉(zhuǎn)移硅功率半導(dǎo)體領(lǐng)域建立的質(zhì)量保證方法的基線，以保證工業(yè)和汽車應(yīng)用中預(yù)期的 FIT 率。

圖 4：CoolSiCMOSFET 單元結(jié)構(gòu)示意圖

CoolSiC MOSFET 單元設(shè)計(jì)旨在限制導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)下柵極氧化物中的電場（見圖 4）。同時(shí)，提供了具有吸引力的 1200 V 級(jí)特定導(dǎo)通電阻，即使在批量生產(chǎn)中也可以以穩(wěn)定且可重復(fù)的方式實(shí)現(xiàn)。低導(dǎo)通電阻確保驅(qū)動(dòng)電壓電平僅為V GS= 15 V 與足夠高的柵源閾值電壓（通常為 4.5 V）相結(jié)合，成為 SiC 晶體管領(lǐng)域的基準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)的特殊功能包括通過自對(duì)準(zhǔn)工藝將通道定向?yàn)閱我痪w取向。這確保了的溝道遷移率和窄的閾值電壓分布。另一個(gè)特點(diǎn)是深 p 溝槽在中心與實(shí)際 MOS 溝槽相交，以允許狹窄的 p+ 到 p+ 間距尺寸，從而有效屏蔽下部氧化物角。