高可靠性SiC MOSFET芯片优化设计
以特斯拉model 3为代表的众多电动汽车量产车型成功应用sic mosfet芯片，表明sic mosfet在性能、可靠性和综合成本层面已得到产业界的认可。基于大量的设计优化和可靠性验证工作，瑞能半导体于2021年推出sic mosfet产品，不仅一如既往的追求高可靠性，同时也拥有业内领先的高性能和竞争力。
作者：瑞能半导体科技股份有限公司 崔京京
引言
近年内，碳化硅功率器件已逐渐成为高压、高频及高效率应用场合需求的首选。性能、可靠性和成本是决定功率器件商业化进程的三个重要维度，此三者一般互为矛盾关系。但回顾sic mosfet器件的技术发展历程可以发现，通过优化制造工艺和器件设计，不仅带来性能和可靠性的提升，也降低了单颗芯片成本，技术发展成为推动sic mosfet商业化进程的重要源动力。
自2011年商业化产品推出以来，sic mosfet目前已完成三次技术迭代，图1为三代sic mosfet的主要技术特点。图中的比导通电阻值(ron,sp)是评价单极型功率器件性能的重要指标，其物理意义为器件导通电阻乘以芯片有源区(有效导通区域)面积，数值越小表示技术水平越高，即相同导通电阻值产品所需的芯片面积越小。可以看到，基于工艺的进步和设计的优化，sic mosfet性能逐代提升，单位导通电阻值需要的芯片面积越来越小。
图1：三代sic mosfet产品主要技术特点
新制造工艺开发
1. 栅氧氮化工艺
相比同为第三代半导体的gan材料，sic具有和si一样能与o2反应生成理想介质层sio2的天然优势，但是sic中c原子的存在使得其mos结构的栅氧界面(sio2/sic)比传统的si基栅氧界面(sio2/si)高近三个数量级的界面态密度，导致sic mos结构的沟道迁移率远远低于si mos结构，沟道电阻成为sic mosfet的主要电阻。
经过多年研究，通过在氧化工艺后加入氮化工艺(no或n2o退火工艺)，沟道迁移率由10cm2/(v·s)以下增加到20cm2/(v·s)左右，沟道电阻减少50%以上，界面陷阱引起的阈值电压漂移问题也得到改善。sic栅氧氮化工艺的成功开发同时显著提升了sic mosfet的器件性能和产品可靠性，是sic mosfet产品走向成熟商业化的基础。
2.沟道自对准工艺
即使经过氮化工艺，进一步减少sic mosfet沟道电阻仍然是设计者的工作目标，减少沟道长度是实现此目标的重要手段。但由于无法像传统si mos结构一样通过双重扩散工艺形成沟道，sic mos结构只能通过光刻机的二次套刻形成沟道，因此沟道长度受制于光刻机的套刻精度以及偏差的控制，根据当前功率半导体产线的实际工艺能力，这意味着沟道长度往往大于0.8微米。图2展现了不同沟道长度对1200v sic mosfet导通性能的影响，0.4微米是理想的沟道长度设计，但是当沟道长度等于0.8微米时，器件导通电阻将增加约50%。
图2：1200v sic mosfet沟道长度 vs. 比导通电阻值
经过大量试验摸索，几种针对碳化硅的沟道自对准工艺开发完成，即使在现有的光刻机能力下也可实现0.8微米以下的沟道长度，sic mosfet比导通电阻值因此得到进一步显著降低。图3说明了瑞能sic mosfet由于采用沟道自对准工艺带来的性能优势。与栅氧界面氮化工艺一样，碳化硅沟道自对准工艺的应用并未明显增加工艺制造成本，但都显著改善了器件的性能，极大提高了sic mosfet产品的竞争力。
图3：采用沟道自对准工艺(self-aligned)与非自对准工艺(non-self-aligned)产品性能对比
芯片设计优化
1.元胞尺寸缩小
对于平面型sic mosfet，减小元胞尺寸(cell pitch)是提升器件导通能力的主要方法。图4为平面栅mosfet结构的关键设计参数，其中jfet区宽度(wjfet)和源极接触区宽度(lp++lnc)是主要的设计优化对象。jfet区宽度越大，该区域“夹断”电流的jfet电阻越小，但中间位置栅极氧化层承受的电场强度越大。所以从减小元胞尺寸和提升氧化层可靠性两个方面来考量，都需要尽量减小jfet区宽度。然而jfet区宽度减小会增加jfet电阻，当jfet区宽度小于临界值时，jfet电阻以及总导通电阻会显著增加。
图4：平面栅mosfet结构关键设计参数(半元胞)
如图5所示，通过设计额外的jfet区n型离子注入工艺或高浓度外延工艺形成电流扩展层(csl)，jfet区宽度可进一步减小20%以上，器件比导通电阻值降低了15%，同时还可减小jfet区中间位置栅极氧化层承受的电场强度，电流扩展层成为缩小元胞尺寸并提升sic mosfet性能的关键设计。
图5：jfet区宽度与器件性能及可靠性的关系. (a) 无csl设计, (b) 有csl设计
源极区宽度(lp++lnc)的设计主要取决于n+区和p+区的欧姆接触电阻率，即意味着芯片设计需要基于实际的工艺能力。如只有当n型欧姆接触电阻率低于1e-4mohm·cm2时，才可以设计低于0.6微米的n+源极区接触宽度而不增加器件导通电阻。
2.沟槽栅结构
对于si igbt或者si mosfet，沟槽栅结构的设计相比于平面栅结构具有明显的性能优势，但是对于sic mosfet来说，目前这种优势不再显著。根据高斯定理，sic mosfet中栅极sio2表面承受的电场强度约是其对应的sic表面电场强度的2.5倍，由于碳化硅材料以高临界击穿电场强度著称(约为硅材料的10倍)，所以sic mosfet中栅极sio2承受的电场强度极高，比si mosfet/igbt中栅极sio2承受的电场强度高一个数量级。因此，sic mosfet 栅极氧化层的可靠性面临严重的挑战。沟槽栅sic mosfet设计中的栅氧可靠性问题更加严重，因为接近90°的沟槽栅拐角进一步加剧了电力线的集中，此处的栅氧层极易被击穿。
解决栅极氧化层可靠性问题是目前所有的沟槽栅sic mosfet结构设计必须首先解决的问题，已有技术路线是设计额外的jfet区，通过其耗尽区的“夹断”来屏蔽保护中间的栅极氧化层，减少沟槽栅拐角位置氧化层承受的电应力，但这同时也引入了很大的jfet电阻，导通电阻因此显著增加。
图6比较了瑞能平面型sic mosfet以及两款市场上主流的平面型和沟槽型sic mosfet的主要性能，通过比较可以发现，现阶段的沟槽型sic mosfet与高性能的平面型sic mosfet相比，性能优势并不明显。反而平面型sic mosfet由于具备天然的可靠性优势，更容易被市场认可。当然，如果未来栅极介质层的可靠性问题得到彻底解决，更紧凑的沟槽型sic mosfet仍然具有巨大的发展潜力。
图6：市场主流平面型&沟槽型1200v sic mosfet性能对比(25℃)sic mosfet
可靠性优化
可靠性问题一直是业内关注的焦点，但随着栅氧工艺的日益成熟，时间相关的介电击穿、阈值电压漂移等问题都得到了显著改善，sic mosfet可靠性也早已达到车规级应用标准，自2017年model 3量产以来，sic mosfet已在几十万辆电动汽车主驱上安全使用了4年时间。
瑞能在产品设计之初就将可靠性放在首位，最新推出的碳化硅mosfet系列产品，通过采用平面栅结构、高阈值电压、高阻断电压以及高栅氧层耐压能力的设计，确保了器件在长期的动静态工况中具有更强的鲁棒性。图7为瑞能sic mosfet wnscm80120r产品在htrb(175℃)各个试验阶段的bvdss数据，其bv数据在1000h试验中未发生任何漂移。得益于大量的工艺和设计优化工作，使得器件性能上有足够多的设计裕量，确保产品高可靠性的同时仍然拥有高性能表现。
图7：瑞能1200v sic mosfet产品可靠性表现
驱动优化
现阶段sic mosfet的主要替代对象是si igbt和si mosfet器件，传统驱动电压一般为+15v或+12v左右。如前文所述，由于sic mosfet的沟道迁移率相对较低，需要通过增加栅极驱动电压来增强沟道的通流能力，因此目前市场上大部分sic mosfet产品一般需要+20v的驱动工作电压。瑞能1200v sic mosfet可以在+18v驱动电压下高效工作，而即将推出的瑞能1700v1000mohm sic mosfet则可以使用+15v作为驱动工作电压，实现与传统驱动电路的完美兼容。
图8：瑞能1700v1000mohm sic mosfet输出特性
小结
sic mosfet技术的不断发展，不仅带来产品性能和可靠性的提升，也促进了芯片成本的降低，市场规模因此而快速增加。瑞能半导体始终坚持技术推动产品竞争力，为客户提供高性能高可靠性的sic mosfet产品。
原文标题：高性能高可靠性sic mosfet的关键设计与优化
文章出处：【微信公众号：瑞能半导体】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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高可靠性SiC MOSFET芯片优化设计
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作者：瑞能半导体科技股份有限公司 崔京京
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近年内，碳化硅功率器件已逐渐成为高压、高频及高效率应用场合需求的首选。性能、可靠性和成本是决定功率器件商业化进程的三个重要维度，此三者一般互为矛盾关系。但回顾sic mosfet器件的技术发展历程可以发现，通过优化制造工艺和器件设计，不仅带来性能和可靠性的提升，也降低了单颗芯片成本，技术发展成为推动sic mosfet商业化进程的重要源动力。
自2011年商业化产品推出以来，sic mosfet目前已完成三次技术迭代，图1为三代sic mosfet的主要技术特点。图中的比导通电阻值(ron,sp)是评价单极型功率器件性能的重要指标，其物理意义为器件导通电阻乘以芯片有源区(有效导通区域)面积，数值越小表示技术水平越高，即相同导通电阻值产品所需的芯片面积越小。可以看到，基于工艺的进步和设计的优化，sic mosfet性能逐代提升，单位导通电阻值需要的芯片面积越来越小。
图1：三代sic mosfet产品主要技术特点
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1. 栅氧氮化工艺
相比同为第三代半导体的gan材料，sic具有和si一样能与o2反应生成理想介质层sio2的天然优势，但是sic中c原子的存在使得其mos结构的栅氧界面(sio2/sic)比传统的si基栅氧界面(sio2/si)高近三个数量级的界面态密度，导致sic mos结构的沟道迁移率远远低于si mos结构，沟道电阻成为sic mosfet的主要电阻。
经过多年研究，通过在氧化工艺后加入氮化工艺(no或n2o退火工艺)，沟道迁移率由10cm2/(v·s)以下增加到20cm2/(v·s)左右，沟道电阻减少50%以上，界面陷阱引起的阈值电压漂移问题也得到改善。sic栅氧氮化工艺的成功开发同时显著提升了sic mosfet的器件性能和产品可靠性，是sic mosfet产品走向成熟商业化的基础。
2.沟道自对准工艺
即使经过氮化工艺，进一步减少sic mosfet沟道电阻仍然是设计者的工作目标，减少沟道长度是实现此目标的重要手段。但由于无法像传统si mos结构一样通过双重扩散工艺形成沟道，sic mos结构只能通过光刻机的二次套刻形成沟道，因此沟道长度受制于光刻机的套刻精度以及偏差的控制，根据当前功率半导体产线的实际工艺能力，这意味着沟道长度往往大于0.8微米。图2展现了不同沟道长度对1200v sic mosfet导通性能的影响，0.4微米是理想的沟道长度设计，但是当沟道长度等于0.8微米时，器件导通电阻将增加约50%。
图2：1200v sic mosfet沟道长度 vs. 比导通电阻值
经过大量试验摸索，几种针对碳化硅的沟道自对准工艺开发完成，即使在现有的光刻机能力下也可实现0.8微米以下的沟道长度，sic mosfet比导通电阻值因此得到进一步显著降低。图3说明了瑞能sic mosfet由于采用沟道自对准工艺带来的性能优势。与栅氧界面氮化工艺一样，碳化硅沟道自对准工艺的应用并未明显增加工艺制造成本，但都显著改善了器件的性能，极大提高了sic mosfet产品的竞争力。
图3：采用沟道自对准工艺(self-aligned)与非自对准工艺(non-self-aligned)产品性能对比
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图4：平面栅mosfet结构关键设计参数(半元胞)
如图5所示，通过设计额外的jfet区n型离子注入工艺或高浓度外延工艺形成电流扩展层(csl)，jfet区宽度可进一步减小20%以上，器件比导通电阻值降低了15%，同时还可减小jfet区中间位置栅极氧化层承受的电场强度，电流扩展层成为缩小元胞尺寸并提升sic mosfet性能的关键设计。
图5：jfet区宽度与器件性能及可靠性的关系. (a) 无csl设计, (b) 有csl设计
源极区宽度(lp++lnc)的设计主要取决于n+区和p+区的欧姆接触电阻率，即意味着芯片设计需要基于实际的工艺能力。如只有当n型欧姆接触电阻率低于1e-4mohm·cm2时，才可以设计低于0.6微米的n+源极区接触宽度而不增加器件导通电阻。
2.沟槽栅结构
对于si igbt或者si mosfet，沟槽栅结构的设计相比于平面栅结构具有明显的性能优势，但是对于sic mosfet来说，目前这种优势不再显著。根据高斯定理，sic mosfet中栅极sio2表面承受的电场强度约是其对应的sic表面电场强度的2.5倍，由于碳化硅材料以高临界击穿电场强度著称(约为硅材料的10倍)，所以sic mosfet中栅极sio2承受的电场强度极高，比si mosfet/igbt中栅极sio2承受的电场强度高一个数量级。因此，sic mosfet 栅极氧化层的可靠性面临严重的挑战。沟槽栅sic mosfet设计中的栅氧可靠性问题更加严重，因为接近90°的沟槽栅拐角进一步加剧了电力线的集中，此处的栅氧层极易被击穿。
解决栅极氧化层可靠性问题是目前所有的沟槽栅sic mosfet结构设计必须首先解决的问题，已有技术路线是设计额外的jfet区，通过其耗尽区的“夹断”来屏蔽保护中间的栅极氧化层，减少沟槽栅拐角位置氧化层承受的电应力，但这同时也引入了很大的jfet电阻，导通电阻因此显著增加。
图6比较了瑞能平面型sic mosfet以及两款市场上主流的平面型和沟槽型sic mosfet的主要性能，通过比较可以发现，现阶段的沟槽型sic mosfet与高性能的平面型sic mosfet相比，性能优势并不明显。反而平面型sic mosfet由于具备天然的可靠性优势，更容易被市场认可。当然，如果未来栅极介质层的可靠性问题得到彻底解决，更紧凑的沟槽型sic mosfet仍然具有巨大的发展潜力。
图6：市场主流平面型&沟槽型1200v sic mosfet性能对比(25℃)sic mosfet
可靠性优化
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驱动优化
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图8：瑞能1700v1000mohm sic mosfet输出特性
小结
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