高性能 SiC MOSFET 技術裝置設計理念

合適的設備概念應允許一定的設計自由度，以便適應各種任務概況的需求，而無需對處理和布局進行重大改變。然而，關鍵性能指標仍然是所選器件概念的低面積比電阻，與其他列出的參數相結合。圖 1 列出了一些被認為必不可少的參數，還可以添加更多參數。

合適的設備概念應允許一定的設計自由度，以便適應各種任務概況的需求，而無需對處理和布局進行重大改變。然而，關鍵性能指標仍然是所選器件概念的低面積比電阻，與其他列出的參數相結合。圖 1 列出了一些被認為必不可少的參數，還可以添加更多參數。

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

重要的驗收標準之一是設備在其目標應用的操作條件下的可靠性。與現有硅器件世界的主要區(qū)別在于，SiC 元件在更高的內部電場下工作。相關機制需要仔細分析。它們的共同點是，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）。請注意，在高壓硅 MOSFET 中，漂移區(qū)明顯主導著總電阻；在 SiC 器件中，該部件可以設計為具有如上所述的顯著更高的電導率。

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

關于關鍵 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在能隙中，并充當電子的陷阱[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 ]。另請參見圖 3：對于 TMOS，關鍵點是溝槽角，對于 DMOS，關鍵點是單元的中心。
由于勢壘高度較小，與 Si 器件相比，SiC MOS 結構在給定電場下表現出更高的 Fowler-Nordheim 電流注入。因此，界面 SiC 側的電場必須受到限制 [3,4]。
上述界面缺陷導致溝道遷移率非常低。因此，它們導致溝道對總導通電阻的貢獻很大。因此，SiC 相對于硅的漂移區(qū)電阻非常低的優(yōu)勢由于高溝道貢獻而被削弱?？朔@一困境的一種觀察到的方法是增加在導通狀態(tài)下施加在氧化物上的電場，或者用于導通的更高的柵極源極（V GS）偏置或者相對薄的柵極氧化物。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）。導通狀態(tài)下氧化物中如此高的磁場可能會加速磨損，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）的典型結構，顯示了兩個關于氧化物場應力的敏感區(qū)域。右圖：溝槽 MOSFET（半電池）的典型結構，關鍵問題是溝槽拐角處的氧化物場應力。

基于這些考慮，很明顯，SiC 平面 MOSFET 器件實際上對氧化物場應力有兩個敏感區(qū)域，如圖 3 左側部分所示。首先，討論的是電場區(qū)域中反向模式的應力其次，靠近漂移區(qū)和柵極氧化物之間的界面，其次是在導通狀態(tài)下受應力的柵極和源極之間的重疊。
導通狀態(tài)下的高電場被認為更危險，因為只要必須保證導通電阻性能，就沒有適當的器件設計措施可以減少導通狀態(tài)下的場應力。英飛凌的總體目標是結合低 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條件下運行。因此，我們決定放棄 DMOS 技術，從一開始就專注于基于溝槽的器件。遠離具有高缺陷密度的平面表面，轉向其他更有利的表面取向，可以在低氧化物場下實現低溝道電阻。這些邊界條件是轉移硅功率半導體領域建立的質量保證方法的基線，以保證工業(yè)和汽車應用中預期的 FIT 率。

圖 4：CoolSiCMOSFET 單元結構示意圖

CoolSiC MOSFET 單元設計旨在限制導通狀態(tài)和截止狀態(tài)下柵極氧化物中的電場（見圖 4）。同時，提供了具有吸引力的 1200 V 級特定導通電阻，即使在批量生產中也可以以穩(wěn)定且可重復的方式實現。低導通電阻確保驅動電壓電平僅為V GS= 15 V 與足夠高的柵源閾值電壓（通常為 4.5 V）相結合，成為 SiC 晶體管領域的基準。該設計的特殊功能包括通過自對準工藝將通道定向為單一晶體取向。這確保了的溝道遷移率和窄的閾值電壓分布。另一個特點是深 p 溝槽在中心與實際 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。