揭秘碳化硅芯片的設(shè)計(jì)和制造

眾所周知，對(duì)于碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)來(lái)說，高質(zhì)量的襯底可以從外部購(gòu)買得到，高質(zhì)量的外延片也可以從外部購(gòu)買到，可是這只是具備了獲得一個(gè)碳化硅器件的良好基礎(chǔ)，高性能的碳化硅器件對(duì)于器件的設(shè)計(jì)和制造工藝有著極高的要求，接下來(lái)我們來(lái)看看安森美(onsemi)在SiC MOSFET器件設(shè)計(jì)和制造上都獲得了哪些進(jìn)展和成果。

Die Layout

下圖是一張制造測(cè)試完成了的SiC MOSFET的晶圓(wafer)。

圖一

芯片的表面一般是如圖二所示，由源極焊盤(Source pad)，柵極焊盤(Gate Pad), 開爾文源極焊盤(Kelvin Source Pad)構(gòu)成。有一些只有Gate pad，如上圖的芯片就沒有Kelvin source pad。

圖二

在這里我們仔細(xì)觀察芯片的周圍有一個(gè)很窄的環(huán)形，這個(gè)有人叫耐壓環(huán)，這是很形象的說法。它的作用主要是提升芯片的耐壓，我們叫耐壓環(huán)(Edge termination Ring)，通常是JTE結(jié)構(gòu)，其實(shí)一個(gè)芯片主要就是由三部分構(gòu)成，Terminal Ring，Gate Pad , Kelvin Source Pad和開關(guān)單元(Active Cell)，一個(gè)芯片外圍一圈是耐壓環(huán)，Gate pad把柵極信號(hào)傳遞到每一個(gè)Cell上面，然后里面是上百萬(wàn)個(gè)Active Cell。通常大家關(guān)注比較多的是Active Cell，因?yàn)樾酒拈_關(guān)和導(dǎo)通性能主要是和Active Cell有比較大的關(guān)系。在這里我們把芯片的layout還有各個(gè)部分的作用特點(diǎn)總結(jié)一下，這樣方便大家對(duì)芯片有一個(gè)更好的認(rèn)識(shí)。

▲耐壓環(huán)（Edge termination Ring）

?       環(huán)繞著芯片的開關(guān)單元，目前大多數(shù)采用JTE結(jié)構(gòu)。

?       有效控制了漏電流，提高了SiC器件的可靠性和穩(wěn)定性；

?       減小了電場(chǎng)集中效應(yīng)，提高了SiC器件的擊穿電壓，SiC MOSFET的擊穿電壓和具體的每一個(gè)開關(guān)單元有關(guān)，同時(shí)和耐壓環(huán)也有很大的關(guān)系。

?       防止離子遷移，JTE技術(shù)可以用于抑制移動(dòng)離子的漂移，從而提高SiC MOSFET的可靠性和穩(wěn)定性。具體來(lái)說，JTE技術(shù)可以在SiC MOSFET的邊緣區(qū)域形成一些深度摻雜的控制區(qū)域，這些區(qū)域可以有效地抑制移動(dòng)離子的漂移。此外，JTE技術(shù)還可以在控制區(qū)域中引入一些特殊的物質(zhì)，例如氮、硼等，這些物質(zhì)可以與移動(dòng)離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而減少其在MOSFET中的積累和漂移。

▲柵極焊盤和（Gate Pad），開爾文源極（Kelvin Source Pad）

    ·       柵極pad主要作用就一個(gè)，把柵極的信號(hào)傳輸?shù)礁鱾€(gè)開關(guān)單元，同時(shí)提一下，安森美的芯片是集成了柵極電阻的，這樣在模塊封裝上可以節(jié)省空間和一些成本。

    ·       開爾文源極主要是增加了開關(guān)速度，減小開關(guān)損耗。不過在做并聯(lián)使用的時(shí)候，就需要特別的設(shè)計(jì)來(lái)使用它。

▲開關(guān)單元(Active Cell)

    ·       電流導(dǎo)通和關(guān)閉的路徑

    ·       所有的開關(guān)單元是并聯(lián)

    ·       固定的單元特性下，單元的數(shù)量決定了整個(gè)芯片的導(dǎo)通電阻大小和短路電流能力。

    ·       目前主要分為平面和溝槽兩種結(jié)構(gòu) 

我們已經(jīng)對(duì)SiC MOSFET的表面layout有了認(rèn)識(shí)，在SiC的芯片里Edge terminal和Active Cell是非常重要的兩部分，安森美在JTE的設(shè)計(jì)上具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，在SiC MOSET上已經(jīng)從M1發(fā)展到了M3，通過幾代的技術(shù)迭代發(fā)展，JTE設(shè)計(jì)仿真和制造非常的成熟。我們來(lái)總結(jié)一下JTE的一些特點(diǎn)和一些設(shè)計(jì)考慮因素。

        SiC JTE（結(jié)延伸區(qū)）是用于改善硅碳化物（SiC）功率器件電壓阻斷能力的結(jié)構(gòu)。SiC JTE的設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)所需的擊穿電壓并避免因器件邊緣處高電場(chǎng)而導(dǎo)致的過早擊穿至關(guān)重要。

以下是SiC JTE設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵考慮因素：

1.    JTE區(qū)域的寬度和摻雜：JTE區(qū)域的寬度和摻雜濃度確定器件邊緣處的電場(chǎng)分布。較寬和重?fù)絁TE區(qū)域可以減少電場(chǎng)并提高擊穿電壓。

2.    JTE的錐角和深度：JTE的錐角和深度影響電場(chǎng)分布和擊穿電壓。較小的錐角和較深的JTE可以減少電場(chǎng)并提高擊穿電壓。

3.    表面鈍化：表面鈍化層對(duì)于減少表面泄漏并提高擊穿電壓非常重要。需要特別為SiC JTE器件精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化鈍化層。

4.    熱設(shè)計(jì)：SiC JTE器件可以在比其Si對(duì)應(yīng)物更高的溫度下工作。但是，高溫也可能降低器件性能和可靠性。因此，在SiC JTE設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮熱設(shè)計(jì)，如散熱和熱應(yīng)力。

總體而言，SiC JTE設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及各種設(shè)計(jì)參數(shù)之間的權(quán)衡。需要進(jìn)行仔細(xì)的優(yōu)化和仿真，以實(shí)現(xiàn)所需的器件性能和可靠性。

Active Cell 開關(guān)單元 – SiC MOSFET的核心

開關(guān)單元是SiC MOSFET中一個(gè)非常重要的部分。我們可以把MOSFET（硅和碳化硅）根據(jù)它們的柵極結(jié)構(gòu)分成兩類：平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)。它們的示意圖如圖三所示。如果從結(jié)構(gòu)上來(lái)說硅和碳化硅MOSFET是一樣的，但是從制造工藝和設(shè)計(jì)上來(lái)說，由于碳化硅材料和硅材料的特性導(dǎo)致它們要考慮的點(diǎn)大部分都不太一樣。比如SiC大量使用了干蝕刻(Dry etch),還有高溫離子注入工藝，注入的元素也不一樣。

圖三 

當(dāng)前國(guó)際上的SiC MOSFET絕大部分都采用了圖三A的平面結(jié)構(gòu)，有少部分的廠家采用了圖三B的溝槽結(jié)構(gòu)。從發(fā)展的角度來(lái)看，最終都會(huì)衍生到溝槽結(jié)構(gòu)。但是目前的平面結(jié)構(gòu)的潛力還是可以繼續(xù)深挖的，而溝槽結(jié)構(gòu)也沒有表現(xiàn)出它們應(yīng)當(dāng)有的水平，在這里我們引入一個(gè)統(tǒng)一的尺度來(lái)衡量它們的性能 -  Rsp(Rdson * area)，標(biāo)識(shí)的是單位面積里的導(dǎo)通電阻大小。平面結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET具有可靠性高，設(shè)計(jì)加工簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。安森美用在汽車主驅(qū)逆變器里的SiC MOSFET的Rsp 從第一代M1的4.2 m?*cm²降低到M2的2.6 m?*cm²，目前的最新的M3e常溫下的Rsp性能和友商的溝槽結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET的水平一致，而高溫下的Rsp則低于友商溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET的Rsp，達(dá)到了行業(yè)領(lǐng)先的水平。M3e的cell pitch值和目前的溝槽結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET pitch值相當(dāng)，這表明安森美在平面結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET發(fā)展優(yōu)化到了一個(gè)相當(dāng)高的水平。當(dāng)然一個(gè)MOSFET的性能不僅僅看Rsp，還要考慮開關(guān)損耗。通過前幾代的SiC MOSFET發(fā)展，以及根據(jù)大量的客戶應(yīng)用反饋，安森美SiC MOSFET器件優(yōu)化了導(dǎo)通損耗，開通損耗，反向恢復(fù)損耗以及短路時(shí)間，使得它們?cè)诳蛻舻膽?yīng)用中達(dá)到最優(yōu)的一個(gè)效率。

SiC MOSFET的平面結(jié)構(gòu)的Active Cell的設(shè)計(jì)制造方向主要是減小開關(guān)單元間距也就是pitch值，提升開關(guān)單元的密度，減小Rdson，提升柵極氧化層的可靠性。

如圖三A中的結(jié)構(gòu)為了盡可能的減小導(dǎo)通電阻，需要調(diào)整開關(guān)單元的間距，pitch值和Wg也就是柵極的寬度有一定的關(guān)系，pitch值變小，Wg也相應(yīng)變小，這個(gè)對(duì)于柵極的可靠性是有一定好處的，在SiC MOSFET里，柵極氧化層（Gate Oxide）非常的薄，小于100納米，因此在SiC的生產(chǎn)工藝中使用了干式蝕刻的方法來(lái)控制加工的精度。

根據(jù)圖三A中的導(dǎo)通電阻示意圖，我們可以得出Rdson=Rs+Rch+Ra+Rjfet+Rdrif+Rsub, 在這里面Rch和Ra占比最大，超過60%以上，所以它們變成了設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化的一個(gè)重點(diǎn)方向之一。不過也不是一味的減小開關(guān)單元柵極的寬度就可以減小Rsp，柵極的Wg寬度減小到一定范圍，反而會(huì)導(dǎo)致Rsp變大，在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要綜合考慮以上的參數(shù)相互之間的影響，這樣才能獲得一個(gè)比較理想的優(yōu)化結(jié)果，安森美經(jīng)過幾代的工藝迭代發(fā)展，其平面結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET上已經(jīng)在性能，良率，可靠性等方面發(fā)展得相對(duì)成熟。

在芯片里，每個(gè)active cell是并聯(lián)在一起的，圖四是一個(gè)芯片的截面圖的示意圖，在這里采用的是帶狀結(jié)構(gòu)的布局。從這里大家會(huì)對(duì)于芯片可以有更形象的了解。

 圖四 芯片的截面圖 

以下是SiC MOSFET Rdson設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵考慮因素：

1.    通道寬度和摻雜：SiC MOSFET的通道寬度和摻雜濃度會(huì)影響Rdson和電流密度。較寬和重?fù)降耐ǖ揽梢越档蚏dson并提高電流承載能力。

2.    柵極氧化層厚度：柵極氧化層的厚度影響柵極電容，進(jìn)而影響開關(guān)速度和Rdson。較薄的柵極氧化物可以提高開關(guān)速度，但也可能增加?xùn)艠O漏電流，并增加氧化層擊穿失效的風(fēng)險(xiǎn)。

3.    柵極設(shè)計(jì)：柵極設(shè)計(jì)影響柵極電阻，進(jìn)而影響開關(guān)速度和Rdson。較低的柵極電阻可以提高開關(guān)速度，但也可能增加?xùn)艠O電容?？傮w而言，SiC MOSFET Rdson設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及綜合考慮各個(gè)參數(shù)之間的相互影響。需要進(jìn)行仔細(xì)的優(yōu)化和仿真并且進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)所需的器件性能和可靠性。

集成片上柵極電阻

安森美所有針對(duì)主驅(qū)逆變器開發(fā)的SiC MOSFET都集成了柵極的電阻，我們可以從圖五看到有無(wú)電阻的區(qū)別。圖五A是不需要柵極電阻（芯片上集成了），圖五B是需要額外加一個(gè)柵極電阻。

圖五

集成柵極電阻會(huì)給模塊設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)一些好處：

?       簡(jiǎn)化了模塊綁定線的工藝，降低了失效率。

?       減少了焊接電阻到DBC的工藝

?       降低了BOM和制造成本

?       便于封裝的相對(duì)小型化設(shè)計(jì)和制造 

由于篇幅關(guān)系，加上SiC MOSFET的設(shè)計(jì)制造工藝非常的復(fù)雜，不是三言兩語(yǔ)能夠闡述的清楚的，希望本文能讓大家對(duì)SiC MOSFET的設(shè)計(jì)和制造有一個(gè)概念。安森美在SiC 功率器件的設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域擁有十多年的經(jīng)驗(yàn)，我們的SiC MOSFET產(chǎn)品經(jīng)過幾代的迭代發(fā)展，無(wú)論是性能還是品質(zhì)和可靠性都已經(jīng)穩(wěn)定和具有競(jìng)爭(zhēng)力，非常 歡迎選擇和使用我們的SiC MOSFET產(chǎn)品。