作者：Friedrichs Peter 翻譯：趙佳
碳化矽（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儘可能低的比電阻，並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的魯棒性和製造穩定性（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。 與已有的矽（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。 矽和碳化矽器件的共同點是，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（結型場效應電晶體）區域的電阻以及漂移區電阻（見圖2）。 請注意，在高壓矽MOSFET（金屬氧化物半導體場效應電晶體）中，漂移區阻顯然在總電阻中占主導地位。 而在碳化矽器件中，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——碳化矽外延與柵極氧化層（二氧化矽）之間的界面，與矽相比有以下差異：
♦ 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，並成為電子的陷阱。
♦ 熱生長氧化物的厚度在很大程度上取決於晶面。
♦ 與矽器件相比，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）。 這就需要採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：對於TMOS（溝槽MOSFET），薄弱點是
溝槽拐角，而對於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相對於矽，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於矽基MOSFET器件的
數值（4至5MV/cm，而矽中最大為3MV/cm）。 在導通狀態下，處於這種高電場的柵氧化層有可能加速老化，並限制了篩選外在氧化物缺陷的能力[1]。
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。 這裡的關鍵問題是溝槽邊角的氧化層應力。
基於這些考慮，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儘量減小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，從一開始就專注於溝槽型器件。 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複的方式實現。 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電晶體領域的基準。
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，並縮小了閾值電壓分布範圍。 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，應用於我們的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製造工藝。 
參考閱讀
文章來源：英飛凌工業半導體
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