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，對于碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)來說，高質(zhì)量的襯底可以從外部購買得到，高質(zhì)量的外延片也可以從外部購買到，可是這只是具備了獲得一個碳化硅器件的良好基礎(chǔ)，高性能的碳化硅器件對于器件的設(shè)計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，如上圖的芯片就沒有Kelvin source pad。

圖二.芯片表面

在這里我們仔細觀察芯片的周圍有一個很窄的環(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)，其實一個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把柵極信號傳遞到每一個Cell上面，然后里面是上百萬個Active Cell。

通常大家關(guān)注比較多的是Active Cell，因為芯片的開關(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還有各個部分的作用特點總結(jié)一下，這樣方便大家對芯片有一個更好的認識。

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開關(guān)單元有關(guān)，同時和耐壓環(huán)也有很大的關(guān)系；

● 防止離子遷移，JTE技術(shù)可以用于抑制移動離子的漂移，從而提高SiC MOSFET的可靠性和穩(wěn)定性。

其實耐壓環(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，但是芯片邊緣的場強很大，及其容易導致邊緣擊穿，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，把柵極的信號傳輸?shù)礁鱾€開關(guān)單元，同時提一下，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)使用的時候，就需要特別的設(shè)計來使用它。

開關(guān)單元

（Active Cell）

● 電流導通和關(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(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在，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(shè)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，通過幾代的技術(shù)迭代發(fā)展，JTE設(shè)計仿真和制造非常的成熟。我們來總結(jié)一下JTE的一些特點和一些設(shè)計考慮因素。

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)計對于實現(xiàn)所需的擊穿電壓并避免因器件邊緣處高電場而導致的過早擊穿至關(guān)重要。

以下是SiC JTE設(shè)計的一些關(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分布。較寬和重摻JTE區(qū)域可以減少電場并提高擊穿電壓。

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

3. 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(shè)計和優(yōu)化鈍化層。

4. 熱設(shè)計：SiC JTE器件可以在比其Si對應(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)計過程中應(yīng)考慮熱設(shè)計，如散熱和熱應(yīng)力。

總體而言，SiC JTE設(shè)計是一個復雜的過程，涉及各種設(shè)計參數(shù)之間的權(quán)衡。需要進行仔細的優(yōu)化和仿真，以實現(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)上來說，硅和碳化硅MOSFET是一樣的，但是從制造工藝和設(shè)計上來說，由于碳化硅材料和硅材料的特性導致它們要考慮的點大部分都不太一樣。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)

當前國際上的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)展的角度來看，最終都會衍生到溝槽結(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)當有的水平，在這里我們引入一個統(tǒng)一的尺度來衡量它們的性能 - Rsp(Rdson * area)，標識的是單位面積里的導通電阻大小。平面結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET具有可靠性高，設(shè)計加工簡單的優(yōu)點。

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，這表明安森美在平面結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET發(fā)展優(yōu)化到了一個相當高的水平。當然一個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)化了導通損耗、開通損耗、反向恢復損耗以及短路時間，使得它們在客戶的應(yīng)用中達到最優(yōu)化的一個效率。

SiC MOSFET的平面結(jié)構(gòu)的Active Cell的設(shè)計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控制加工的精度。

根據(jù)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60%以上，所以它們變成了設(shè)計和工藝優(yōu)化的一個重點方向之一。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，反而會導致Rsp變大，在設(shè)計的時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)展得相對成熟。

在芯片里，每個active cell是并聯(lián)在一起的，圖四是一個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(shè)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，但也可能增加柵極漏電流，并增加氧化層擊穿失效的風險。

3. 柵極設(shè)計：柵極設(shè)計影響柵極電阻，進而影響開關(guān)速度和Rdson。較低的柵極電阻可以提高開關(guān)速度，但也可能增加柵極電容。

總體而言，SiC MOSFET Rdson設(shè)計是一個復雜的過程，涉及綜合考慮各個參數(shù)之間的相互影響。需要進行仔細的優(yōu)化和仿真并且進行試驗和測試，以實現(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是需要額外加一個柵極電阻。

圖五.有無柵極電阻的區(qū)別

集成柵極電阻會給模塊設(shè)計和制造帶來一些好處：

● 簡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

● 便于封裝的相對小型化設(shè)計和制造

SiC MOSFET的設(shè)計制造工藝非常復雜，本文對其流程與一些關(guān)鍵考慮因素進行了簡要介紹，希望能讓大家對SiC MOSFET的設(shè)計和制造有一個概念。

安森美在SiC功率器件的設(shè)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)過幾代的迭代發(fā)展，無論是性能還是品質(zhì)和可靠性都已經(jīng)穩(wěn)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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