【導讀】眾所周知，對于碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)來(lái)說(shuō)，高質(zhì)量的襯底可以從外部購買(mǎi)得到，高質(zhì)量的外延片也可以從外部購買(mǎi)到，可是這只是具備了獲得一個(gè)碳化硅器件的良好基礎，高性能的碳化硅器件對于器件的設計和制造工藝有著(zhù)極高的要求，接下來(lái)我們來(lái)看看安森美(onsemi)在SiC MOSFET器件設計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(pán)(Source pad)，柵極焊盤(pán)(Gate Pad), 開(kāi)爾文源極焊盤(pán)(Kelvin Source Pad)構成。有一些只有Gate pad，如上圖的芯片就沒(méi)有Kelvin source pad。
圖二
在這里我們仔細觀(guān)察芯片的周?chē)幸粋€(gè)很窄的環(huán)形，這個(gè)有人叫耐壓環(huán)，這是很形象的說(shuō)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結構，其實(shí)一個(gè)芯片主要就是由三部分構成，Terminal Ring，Gate Pad , Kelvin Source Pad和開(kāi)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，因為芯片的開(kāi)關(guān)和導通性能主要是和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)總結一下，這樣方便大家對芯片有一個(gè)更好的認識。
耐壓環(huán)（Edge termination Ring）
?環(huán)繞著(zhù)芯片的開(kāi)關(guān)單元，目前大多數采用JTE結構。
?有效控制了漏電流，提高了SiC器件的可靠性和穩定性；
?減小了電場(chǎng)集中效應，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(kāi)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的可靠性和穩定性。具體來(lái)說(shuō)，JTE技術(shù)可以在SiC MOSFET的邊緣區域形成一些深度摻雜的控制區域，這些區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，從而減少其在MOSFET中的積累和漂移。
柵極焊盤(pán)和（Gate Pad），開(kāi)爾文源極（Kelvin Source Pad）
● 柵極pad主要作用就一個(gè)，把柵極的信號傳輸到各個(gè)開(kāi)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省空間和一些成本。
● 開(kāi)爾文源極主要是增加了開(kāi)關(guān)速度，減小開(kāi)關(guān)損耗。不過(guò)在做并聯(lián)使用的時(shí)候，就需要特別的設計來(lái)使用它。
開(kāi)關(guān)單元(Active Cell)
● 電流導通和關(guān)閉的路徑
● 所有的開(kāi)關(guān)單元是并聯(lián)
● 固定的單元特性下，單元的數量決定了整個(gè)芯片的導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構
我們已經(jīng)對SiC MOSFET的表面layout有了認識，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的設計上具有豐富的經(jīng)驗，在SiC MOSET上已經(jīng)從M1發(fā)展到了M3，通過(guò)幾代的技術(shù)迭代發(fā)展，JTE設計仿真和制造非常的成熟。我們來(lái)總結一下JTE的一些特點(diǎn)和一些設計考慮因素。
SiC JTE（結延伸區）是用于改善硅碳化物（SiC）功率器件電壓阻斷能力的結構。SiC JTE的設計對于實(shí)現所需的擊穿電壓并避免因器件邊緣處高電場(chǎng)而導致的過(guò)早擊穿至關(guān)重要。
以下是SiC JTE設計的一些關(guān)鍵考慮因素：
1. JTE區域的寬度和摻雜：JTE區域的寬度和摻雜濃度確定器件邊緣處的電場(chǎng)分布。較寬和重摻JTE區域可以減少電場(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。
4. 表面鈍化：表面鈍化層對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器件精心設計和優(yōu)化鈍化層。
5. 熱設計：SiC JTE器件可以在比其Si對應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設計過(guò)程中應考慮熱設計，如散熱和熱應力。
總體而言，SiC JTE設計是一個(gè)復雜的過(guò)程，涉及各種設計參數之間的權衡。需要進(jìn)行仔細的優(yōu)化和仿真，以實(shí)現所需的器件性能和可靠性。
Active Cell 開(kāi)關(guān)單元 – SiC MOSFET的核心
開(kāi)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）根據它們的柵極結構分成兩類(lèi)：平面結構和溝槽結構。它們的示意圖如圖三所示。如果從結構上來(lái)說(shuō)硅和碳化硅MOSFET是一樣的，但是從制造工藝和設計上來(lái)說(shuō)，由于碳化硅材料和硅材料的特性導致它們要考慮的點(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
當前國際上的SiC MOSFET絕大部分都采用了圖三A的平面結構，有少部分的廠(chǎng)家采用了圖三B的溝槽結構。從發(fā)展的角度來(lái)看，最終都會(huì )衍生到溝槽結構。但是目前的平面結構的潛力還是可以繼續深挖的，而溝槽結構也沒(méi)有表現出它們應當有的水平，在這里我們引入一個(gè)統一的尺度來(lái)衡量它們的性能 - Rsp(Rdson * area)，標識的是單位面積里的導通電阻大小。平面結構的SiC MOSFET具有可靠性高，設計加工簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。安森美用在汽車(chē)主驅逆變器里的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構的SiC MOSFET的水平一致，而高溫下的Rsp則低于友商溝槽結構SiC MOSFET的Rsp，達到了行業(yè)領(lǐng)先的水平。M3e的cell pitch值和目前的溝槽結構的SiC MOSFET pitch值相當，這表明安森美在平面結構的SiC MOSFET發(fā)展優(yōu)化到了一個(gè)相當高的水平。當然一個(gè)MOSFET的性能不僅僅看Rsp，還要考慮開(kāi)關(guān)損耗。通過(guò)前幾代的SiC MOSFET發(fā)展，以及根據大量的客戶(hù)應用反饋，安森美SiC MOSFET器件優(yōu)化了導通損耗，開(kāi)通損耗，反向恢復損耗以及短路時(shí)間，使得它們在客戶(hù)的應用中達到最優(yōu)的一個(gè)效率。
SiC MOSFET的平面結構的Active Cell的設計制造方向主要是減小開(kāi)關(guān)單元間距也就是pitch值，提升開(kāi)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中的結構為了盡可能的減小導通電阻，需要調整開(kāi)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也相應變小，這個(gè)對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。
根據圖三A中的導通電阻示意圖，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(guò)60%以上，所以它們變成了設計和工藝優(yōu)化的一個(gè)重點(diǎn)方向之一。不過(guò)也不是一味的減小開(kāi)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 )導致Rsp變大，在設計的時(shí)候需要綜合考慮以上的參數相互之間的影響，這樣才能獲得一個(gè)比較理想的優(yōu)化結果，安森美經(jīng)過(guò)幾代的工藝迭代發(fā)展，其平面結構的SiC MOSFET上已經(jīng)在性能，良率，可靠性等方面發(fā)展得相對成熟。
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構的布局。從這里大家會(huì )對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設計的一些關(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。較寬和重摻的通道可以降低Rdson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(kāi)關(guān)速度和Rdson。較薄的柵極氧化物可以提高開(kāi)關(guān)速度，但也可能增加柵極漏電流，并增加氧化層擊穿失效的風(fēng)險。
3. 柵極設計：柵極設計影響柵極電阻，進(jìn)而影響開(kāi)關(guān)速度和Rdson。較低的柵極電阻可以提高開(kāi)關(guān)速度，但也可能增加柵極電容?？傮w而言，SiC MOSFET Rdson設計是一個(gè)復雜的過(guò)程，涉及綜合考慮各個(gè)參數之間的相互影響。需要進(jìn)行仔細的優(yōu)化和仿真并且進(jìn)行試驗和測試，以實(shí)現所需的器件性能和可靠性。
集成片上柵極電阻
安森美所有針對主驅逆變器開(kāi)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 )給模塊設計和制造帶來(lái)一些好處：
?簡(jiǎn)化了模塊綁定線(xiàn)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
?便于封裝的相對小型化設計和制造
由于篇幅關(guān)系，加上SiC MOSFET的設計制造工藝非常的復雜，不是三言?xún)烧Z(yǔ)能夠闡述的清楚的，希望本文能讓大家對SiC MOSFET的設計和制造有一個(gè)概念。安森美在SiC 功率器件的設計和制造領(lǐng)域擁有十多年的經(jīng)驗，我們的SiC MOSFET產(chǎn)品經(jīng)過(guò)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)穩定和具有競爭力，非常 歡迎選擇和使用我們的SiC MOSFET產(chǎn)品。
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