用於功率積體電路應用的600伏、10安、4H-碳化矽橫向單溝道金氧半導體場效應電晶體的演示和分析
摘要:
本文報導了一個具有大電流處理能力(10 A)的600伏4H-碳化矽橫向場效應電晶體的演示。為了在橫向結構中實現高擊穿電壓，實現了減小表面電場(RESURF)結構以減輕表面電場擁擠。一個single RESURF(P-top) 被設計在一個6英寸的N型區域。襯底表現出120伏/微米的電壓支援能力，導致600伏的擊穿電壓。交叉柵極指狀物的總寬度為198毫米，具有高電流支援能力。對於相對低電壓橫向場效應電晶體（<600V）,為了進一步提高導通電阻，需要更加關注實現低溝道、接觸、金屬和JFET區域電阻，而不是低漂移層電阻。本文討論了所提出的600伏、10安、4H-碳化矽橫向單個RESURF金氧半導體場效應電晶體的器件設計、製造和電學特性。
如今，矽積體電路(IC)技術將中低功率系統的轉換和控制功能與最大75至100伏的橫向雙擴散金氧半導體場效應電晶體(LDMOS)相結合。絕緣體上矽(SOI)技術提供高達600伏的更高電壓，但1至2安的電流處理能力非常有限。碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬禁帶材料由於其材料特性，可以提供比矽基器件更高的額定功率。但是，氮化鎵積體電路技術受到可靠性問題的阻礙，如電流下降、缺乏雪崩能力和動態導通電阻問題。相比之下，碳化矽技術相對成熟，可以實現互補金氧半導體(CMOSs垂直功率MOSFETs)已經商業化；通過跟蹤記錄和市場認可，這些裝置被證明是可靠的。碳化矽場效應電晶體已經在各種應用中得到應用，包括不間斷電源(UPs)、混合電動汽車(HEV)和光伏(PV)轉換器。此外，碳化矽功率積體電路的應用將支援許多需要廣泛電壓和功率額定值的應用，如汽車、工業和電子資料處理、能量收集和功率調節。為了在碳化矽襯底上演示高功率積體電路，製造大型碳化矽橫向場效應電晶體是不可避免的。
幾個小組已經在各種襯底上演示了碳化矽橫向場效應電晶體。然而，即使採用雙區或多區方法，這些橫向場效應電晶體也未能演示有效的漂移層遮蔽擊穿電壓。此外，以前報告的所有結構都相當小，因此電流水平被限制在幾毫安的範圍內。在本文中，600V、10A、SIC橫向MOSFET已經被證實，該器件具有單表面漂移層，在柵極和漏極之間實現擊穿電壓600 V和5μm距離（(BV/Lgd=120 V/μm)）。本文對器件單元結構、製作和電特性進行了詳細的討論。
圖1顯示了建議的4HSiC橫向金氧半導體場效應電晶體的橫截面圖(標有臨界尺寸)。在一個6英寸N型襯底上製作摻雜濃度為2.5×1016cm-3，厚度為6μm的漂移層用於製造該器件。採用磷(輕摻雜)來降低禁帶(位置“A”)附近的表面電場(RESURF)，而在漏極(位置“B”)附近引入另一個電場峰值。P-top(RERURF)需要小心放置，因為它與P-阱區一起定義了溝道寬度(WJFET)。柵極多晶矽的邊緣必須位於P頂層，以確保場板效應，這進一步降低了位置“A”處的電場。P頂層的長度(Lptop)以及P頂層和N+漏極(Lgap)之間的間隙決定了柵極到漏極的長度[Lgd=(Lptop)-(L0verlap)+(Lgap)]，其主要控制橫向裝置的阻擋能力。器件尺寸Lptop 和Lgap需要精心設計，使擊穿發生在漏極結，而不是表面或柵極氧化物上。兩個重要的尺寸，Lptop 和Lgap使用數值2D技術計算機輔助設計(TCAD)模擬仔細優化，如圖2所示。頂部的長度應足夠長，以便在位置“A”和“B”以及位置“C”和“D”之間形成電場，如圖3所示，在給定的漂移層設計中實現最高的擊穿電壓。應該注意的是，Lptop不能太寬，因為電阻率(Ron,sp)隨其長度線性增加。同樣，Lgap的優化方式與Lptop相同。Lgap需要足夠寬，以支援指定的擊穿電壓，同時保持低Ron,sp。在上面討論的特定尺寸範圍內，它仍然具有很高的阻擋能力。基於模擬，最大擊穿電壓和最小擊穿電壓都是在磷最大量為2.4×1013cm-2，P-top長度(Lptop)為4μm，P-top至漏極間隙(Lgap)為1.5μm，柵極至漏極長度(Lgd)為5μm[5μm=4μm(Lptop)-0.5μm(L0verlap)+1.5μm(Lgap) ]。所製備的器件單元間距為23.2μm，溝道長度為0.5μm。
已經提出的橫向金氧半導體場效應電晶體是基於6英寸標準的。美國德克薩斯州X-FAB晶圓代工廠公司在6μm厚的6英寸晶圓上通過摻雜2.5×1016cm-3的氮漂移層，使得N+4H-SIC襯底被使用。鋁離子和氮離子注入分別用於製作P阱/ P體/P頂(RESURF)和n源/漏區。之後是1650℃的碳帽10分鐘活化退火。50奈米厚的柵氧化層通過1175攝氏度的幹氧化，然後在一氧化氮氣氛中進行氧化後退火而形成。在柵極多晶矽的沉積和光刻之後，層間電介質(ILD)被沉積和蝕刻以開啟歐姆接觸區域。鎳被沉積在正面並被光刻以形成接觸，然後在1000攝氏度下以實現歐姆接觸。4微米厚的鋁基金屬用於源極和漏極金屬以及柵極襯底。最後，正面用氮化物和聚醯亞胺鈍化。圖4顯示了製造的SiC橫向金氧半導體場效應電晶體的掃描電鏡截面圖，顯示了所有關鍵尺寸(WJFET、Lgd、Lptop和Lgap)、柵極、源極、漏極金屬、ILD和鈍化層(氮化物和聚醯亞胺)。
圖5顯示了在N+4H-SIC襯底上製作的橫向MOSFETs的典型輸出特性。製作的晶片的光學影像也顯示在圖5中。在室溫25攝氏度和高溫150攝氏度時，分別以5伏步進測量0至30伏的偏壓情況下柵極到源極(Vgs)處瞬態電壓(I-V)特性。得到的在室溫25攝氏度和高溫150攝氏度時，橫向金氧半導體場效應電晶體特定導通電阻(Ron，sp)在20伏、25伏和30伏電壓下的影像如圖6所示。表格Ⅰ顯示了根據提取的實驗資料計算出的橫向場效應電晶體中電阻分量的分佈。在室溫情況下，觀察到溝道電阻(Rch)和接觸電阻(Rcts)是最主要的部分，約佔總導通電阻的4.7 兆歐姆·cm2(佔比34%)。從圓形傳輸長度測量結構中提取的接觸電阻為4.5×10-5歐姆·cm2，從製作的橫向器件計算出的接觸電阻Rcts約為1.21 兆歐姆·cm2。[接觸電阻×(單元間距/接觸開口)]。其他組成部分，如積累電阻(Raccu)、JFET區(RJFET)和漂移(Rdrift)等，只貢獻了約1.21兆歐姆·cm2 (佔比8%)。值得注意的是，Rdrift僅佔總電阻的1%。總量為7.8兆歐姆·cm2的其餘電阻(Rothers) (佔比57%)可歸因於交叉金屬指的金屬電阻。如圖4所示，源極金屬的形狀以及金屬中的空隙可能導致金屬電阻的增加。除此之外，晶片上測量的導線和探測電阻可能會對其餘電阻(Rothers)有很大的貢獻。在高溫情況想，Rch(2.63兆歐姆·cm2)和Rcts(1.48兆歐姆·cm2)仍然是主要因素，但是RJEFT(1.25兆歐姆·cm2)由於體遷移率的降低而變得相對較大。JFET區域的進一步優化對於減少高溫情況的RJEFT是必要的。
從圖6可以觀察得到，特定導通電阻(Ron，sp)取決於器件的電流水平和柵極偏置，這確定了SiC橫向MOSFET的電流-電壓輸出特性。為了提取場效應溝道遷移率，製作了具有長溝道長度的高電流橫向場效應電晶體。從溝道長度為200μm的測試結構中測得的值約為17 cm2/V·S。值得注意的是，導通電阻的進一步降低可以通過更高的溝道遷移率來實現。例如，μch採用30 cm2/V·S時，室溫下的Rch可從3.49 兆歐姆·cm2降至1.94 兆歐姆·cm2。這大約貢獻了總導通電阻的14% (25% ->14%)。圖7所示的跨導表明溝道電阻對所製造的橫向金氧半導體場效應電晶體輸出特性的控制。在漏極到源極電流(Ids)為100μA時提取的閾值電壓約為2.7 V，這對於電力電子應用來說是足夠的。橫向金氧半導體場效應電晶體在斷開時（Vgs=0V）時的電流大小（Ids）小於10-12A。從源極和漏極之間的電流路徑出現的金屬電阻也很大。將實驗結果與模擬資料進行比較，可以看出接觸電阻和金屬電阻也是總導通電阻的重要組成部分。因此，高阻可以通過(1)提高通道的移動性，(2)降低源和漏端接觸電阻，以及(3)橫向降低器件的金屬電阻來實現。
圖8顯示了所製造的SiC橫向MOSFETs的典型正向阻斷特性。漏源電流為100微安時的擊穿電壓約為600伏，電壓支援能力為120伏/微米。橫向場效應電晶體的模擬擊穿電壓約為640伏，擊穿電壓由碰撞電離積分等於1時確定。橫向金氧半導體場效應電晶體的擊穿電壓只有200伏，實驗結果表明94%的理想(模擬)擊穿電壓。應該注意的是，這些結果優於以前報導的碳化矽橫向場效應電晶體。
表格Ⅱ比較了已報導的4H和6H碳化矽橫向場效應電晶體的關鍵結構引數和電學特性。通常，採用雙RESURF和/或多區漂移設計，以增強阻擋能力並降低橫向器件的Rdrift。每個區域的劑量或電荷需要仔細優化，因為雙和/或多區域設計對劑量非常敏感。當總電荷不平衡時，擊穿電壓的下降如圖11和12所示。然而，在這項工作中，具有單個RESURF結構的碳化矽橫向場效應電晶體的電壓支援能力優於所報導的具有雙RESURF和/或多區漂移設計的橫向場效應電晶體。此外，當襯底的一部分被用作傳導路徑時，所得到的器件的特定導通電阻(Ron，sp)比表格Ⅱ已報導的單獨利用N漂移層作為主要傳導路徑的器件的特定導通電阻(Ron，sp)低得多。除此之外，被提議的裝置的當前水平超過了以前報導的器件的效能。器件的電氣特性的改善歸功於(1)佈局的優化工藝和設計規則，(2)更短的溝道長度，(3)較厚的金屬工藝，以及(4)生產級製造設施。除此之外，在單個RESURF的情況下，可以實現更簡單的流程。這並不是指單結電阻優於雙區和/或多區設計，而是指如前所述，橫向金氧半導體場效應電晶體的總導通電阻非常小。因此，雙區和/或多區方法沒有必要進一步減少Rdrift。在橫向金氧半導體場效應電晶體的進一步發展中，加大對柵氧化層、接觸工藝和JFET區的研究力度更為合適。
總之，一個600伏，高電流(10A)4H-SIC橫向場效應電晶體被製造在6英寸晶圓上。儘管使用了簡單的工藝流程來實現與雙RESURF和/或多區漂移設計相反的單個RESURF結構漂移設計，但卻實現了非常高的擊穿電壓，顯示出理想(模擬)擊穿電壓的94%。更好的降低了採用了一種新氧化物工藝帶來的特定導通電阻，實現更高溝道遷移率和低電阻接觸金屬工藝，並進一步降低了它們之間的間距。綜上所述，高電壓高電流4H-SIC橫向場效應電晶體已經得到驗證，實現了高功率積體電路或多種電能應用。