[導讀]SiC功率MOSFET內(nèi)部晶胞單元的結(jié)構(gòu),主要有二種:平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)。平面SiCMOSFET的結(jié)構(gòu),如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)的特點是工藝簡單,單元的一致性較好,雪崩能量比較高。但是,這種結(jié)構(gòu)的中間,N區(qū)夾在兩個P區(qū)域之間,當電流被限制在靠近P體區(qū)域的狹窄的N區(qū)中流過時,將產(chǎn)生JF...
SiC功率MOSFET內(nèi)部晶胞單元的結(jié)構(gòu),主要有二種:平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)。平面SiC MOSFET的結(jié)構(gòu),如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)的特點是工藝簡單,單元的一致性較好,雪崩能量比較高。但是,這種結(jié)構(gòu)的中間,N區(qū)夾在兩個P區(qū)域之間,當電流被限制在靠近P體區(qū)域的狹窄的N區(qū)中流過時,將產(chǎn)生JFET效應(yīng),從而增加通態(tài)電阻;同時,這種結(jié)構(gòu)的寄生電容也較大。
圖1:平面SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)
溝槽SiC MOSFET的結(jié)構(gòu),如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)將柵極埋入基體中,形成垂直的溝道,由于要開溝槽,工藝變得復(fù)雜,單元的一致性、雪崩能量比平面結(jié)構(gòu)差。但是,由于這種結(jié)構(gòu)可以增加單元密度,沒有JFET效應(yīng),溝道晶面實現(xiàn)最佳的溝道遷移率,導通電阻比平面結(jié)構(gòu)要明顯的降低;同時,寄生電容更小,開關(guān)速度快,開關(guān)損耗非常低,因此,新一代的結(jié)構(gòu)都研究和采用這種結(jié)構(gòu)。
圖2:溝槽SiC MOSFET的結(jié)構(gòu)
溝槽結(jié)構(gòu)SiC MOSFET最主要的問題在于,由于器件工作在高壓狀態(tài),內(nèi)部的工作電場強度高,尤其是溝槽底部,工作電場強度非常更高,很容易在局部超過最大的臨界電場強度,從而產(chǎn)生局部的擊穿,影響器件工作的可靠性,如圖3所示。
圖3:溝槽SiC MOSFET結(jié)構(gòu)內(nèi)部工作電場
因此,新一代的SiC MOSFET溝槽結(jié)構(gòu),技術(shù)演進的方向都是如何減小溝槽底部的工作電場強度,比如Rohm的雙溝槽結(jié)構(gòu)、Infineon的非對稱溝槽結(jié)構(gòu),等等,如圖4、圖5所示。
圖4:Rohm雙溝槽結(jié)構(gòu)
圖5:Infineon非對稱溝槽結(jié)構(gòu)
這些結(jié)構(gòu)的核心就是或在溝槽底部增加緩沖層,或把P區(qū)下移讓P和溝槽底部的N區(qū)形成耗盡層,如圖6、圖7所示,從而把溝槽底部氧化層的電場,部分轉(zhuǎn)移到P區(qū)耗盡層,減小溝槽底部的電場。
(a) P和N接觸面形成耗盡層
(b) 溝槽下部電場線
(c) 雙溝槽下部電場線
圖6:減小溝槽底部工作電場示意圖
圖7:Infineon非對稱溝槽結(jié)構(gòu)內(nèi)部電場分布(圖片來源網(wǎng)絡(luò))
平面結(jié)構(gòu)SiC MOSFET的基本工藝和各項成本占比,如圖8、圖9所示。可以看到,目前SiC晶體的襯底依然占非常大的比例,達到38%,如果加上SiC晶體的襯底的減薄和拋光工藝,比例高達50%以上。
其主要原因在于SiC生長的速慢,溫度高,工藝復(fù)雜度,容易產(chǎn)生各種晶格缺陷。Si生長速度為100 mm/小時,最大直徑450 mm, 最大厚度2 m;SiC生長的速度為100-300 um/小時,2100 °C,最大直徑150mm,最大厚度50 mm。
外延工藝的成本占比為17%左右,封裝成本的占比為11%左右;產(chǎn)品的良率導致的成本占比為21%。如何控制SiC MOSFET生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的缺陷,提高生產(chǎn)過程中的良率,依然是各廠家需要面對的重要的問題,其不僅關(guān)系到產(chǎn)品的成本,更關(guān)系到產(chǎn)品在客戶應(yīng)用的可靠性。
圖8:平面結(jié)構(gòu)SiC MOSFET基本工藝
圖9:平面結(jié)構(gòu)SiC MOSFET工藝成本占比
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