本文作者：安森美汽車主驅(qū)功率模塊

產(chǎn)品線經(jīng)理Bryan Lu

眾所周知，對(duì)于碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)來(lái)說(shuō)，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。這篇文章將為您介紹SiC MOSFET器件設(shè)計(jì)和制造流程并展示安森美(onsemi)在這方面的創(chuàng)新技術(shù)與成果。

Die Layout

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

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

圖二.芯片表面

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，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)。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)；

● 有效控制漏電流，提高SiC器件的可靠性和穩(wěn)定性；

●減小電場(chǎng)集中效應(yīng)，提高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。

其實(shí)耐壓環(huán)的最主要的作用就是提升芯片的耐壓，SiC MOSFET的耐壓和Active Cell有關(guān)系，但是芯片邊緣的場(chǎng)強(qiáng)很大，及其容易導(dǎo)致邊緣擊穿，所以這就是JTE的作用所在。在一些高壓的器件中，甚至JTE的面積會(huì)大于Active Cell的面積。

柵極焊盤，開爾文源極焊盤

（Gate Pad，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(guò)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)。

現(xiàn)在，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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

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(shuō)，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(shuō)，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.MOSFET的平面結(jié)構(gòu)與溝槽結(jié)構(gòu)

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(méi)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(guò)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)化的一個(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(guò)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(guò)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(guò)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。

總體而言，SiC MOSFET Rdson設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)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.有無(wú)柵極電阻的區(qū)別

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

SiC MOSFET的設(shè)計(jì)制造工藝非常復(fù)雜，本文對(duì)其流程與一些關(guān)鍵考慮因素進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，希望能讓大家對(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(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(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。

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