超高壓碳化硅 N 溝道 IGBT 器件的設(shè)計(jì)與制造
碳化硅（SiC）材料作為第三代半導(dǎo)體材料的代表之一，其禁帶寬度達(dá)到 3.26 eV，是硅（Si）材料的 3 倍，臨界擊穿電場強(qiáng)度是 Si 材料的 10 倍，熱導(dǎo)率接近 Si材料的 3 倍，被認(rèn)為是下一代超高壓功率器件的理想材 料。SiC 金 屬 氧 化 物 半 導(dǎo) 體 場 效 應(yīng) 晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）是目前最成熟、應(yīng)用最廣的 SiC 功率開關(guān)器件，然而隨著功率器件的阻斷電壓不斷增大，其導(dǎo)通電阻也會迅速增大，使其很難在超高壓領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT） 作為現(xiàn)如今功率半導(dǎo)體器件的主要代表之一，綜合了功率 MOSFET 和雙極型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）兩種器件的結(jié)構(gòu)，正常導(dǎo)通狀態(tài)下，會在其漂移層中發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，從而很好地降低了其漂移層的導(dǎo)通電阻以及整個器件的導(dǎo)通壓降，極大地克服了高壓 MOSFET 器件的缺點(diǎn)。早在 2007 年，美國 Cree 公司就報(bào)道了阻斷電壓為 9 kV 的平面柵 P 溝道 4H-SiC IGBT 器件，該器件的微分比導(dǎo)通電阻值為 88 mΩ·cm2，當(dāng)時之所以采用 P 溝道，是因?yàn)?P 型 SiC 襯底電阻過大，無法支撐其制備 N 溝道 IGBT 器件。2009 年美國普渡大學(xué)利用數(shù) 值 模 擬 軟 件 評 估 了 10 kV SiC MOSFET 和 SiCIGBT 器件的性能，指出 SiC IGBT 器件更適合應(yīng)用于高壓低頻領(lǐng)域。Cree 公司在 2009 年采用厚度為100 μm、摻雜濃度為 3×1014 cm-3 的 N 型外延成功制備了耐壓超過 13 kV 的 N 溝道 IGBT 器件，其微分比導(dǎo)通電阻值僅為 22 mΩ·cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 P 溝道 IGBT 器件。2015 年 Cree 公司和美國陸軍實(shí)驗(yàn)室（Army Research Laboratory）共同合作，通過對比阻斷電壓為15 kV 的 4H-SiC MOSFET 和 N 溝道 4H-SiC IGBT 器件，發(fā)現(xiàn) 15 kV 4H-SiC MOSFET 器件的比導(dǎo)通電阻高達(dá) 204 mΩ·cm2，而同等級下的 N 溝道 4H-SiC IGBT器件僅為 50 mΩ·cm2，同時報(bào)道還指出通過在 N 溝道4H-SiC IGBT 器件結(jié)構(gòu)中加入載流子存儲層（Carrier Storage Layer，CSL），可以減小器件 JFET 區(qū)域的導(dǎo)通電阻，從而降低正向壓降。2014 年 Cree 公司還聯(lián)合了北卡羅來納州立大學(xué)等高校，在 160 μm 的外延層上成功研制了 20 kV SiC N 溝道 IGBT 器件，在導(dǎo)通電流為 20 A 的條件下，其導(dǎo)通壓降為 6.4 V。2016 年日立（Hitachi）的研發(fā)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了具有極低開關(guān)損耗的 N 溝道 4H-SiC IGBT 器件，其漂移層厚度為 60 μm，阻斷電壓能夠達(dá)到 6.5 kV，其開關(guān)損耗只有 1.2 mJ。在近幾年研究發(fā)展過程中，Cree 公司甚至報(bào)道了阻斷電壓為 27 kV 的 N 溝道 SiC IGBT 器件，加入三代半交流群，加VX：tuoke08，器件的微分比導(dǎo)通電阻值僅為 123 mΩ·cm2。由于受 4H-SiC 單晶質(zhì)量、外延生長技術(shù)的制約，國內(nèi)對于 SiC IGBT 器件方面的實(shí)驗(yàn)研究起步相對較晚。南京電子器件研究所 SiC 團(tuán)隊(duì)于 2018 年成功研制出了 13 kV SiC N 溝道 IGBT 器件，但其導(dǎo)通特性較差。近年來通過對器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及關(guān)鍵工藝技術(shù)的提升，SiC N 溝道 IGBT 器件取得了重大突破，縮短了與國外的差距。本文介紹了團(tuán)隊(duì) SiC N 溝道 IGBT器件研制的最新成果。
超高壓 SiC N 溝道 IGBT 器件元胞的基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。N+ 區(qū)域定義為源區(qū)，相應(yīng)的電極稱為發(fā)射極（Emitter）。背面 P+ 區(qū)域定義為漏區(qū)，相應(yīng)的電極稱為集電極（Collector）。超高壓 SiC N 溝道 IGBT 器件與MOSFET 器件一樣都是柵控型器件，柵區(qū)是器件的控制區(qū)域，相應(yīng)的電極稱為柵極（Gate）。器件溝道的形成在緊靠柵區(qū)邊界處，其長度則由 P-well 區(qū)和 N+ 源區(qū)的橫向擴(kuò)散進(jìn)行定義。場截止層（F-S）為高摻雜濃度的N+ 緩沖層，其主要作用在于使正向阻斷狀態(tài)下電場在該層降為 0，從而避免電場對 P+ 襯底的影響。IGBT 器件正面結(jié)構(gòu)與功率 MOSFET 器件正面結(jié)構(gòu)一致，唯一的不同之處在于器件的背面結(jié)構(gòu)。IGBT 器件的背面結(jié)構(gòu)是通過 P+ 外延層實(shí)現(xiàn)的，使得 IGBT 器件的背面結(jié)構(gòu)比功率 MOSFET 器件多一個 PN 結(jié)，在導(dǎo)通狀態(tài)下背面注入的少數(shù)載流子和正面的溝道載流子在 N漂移區(qū)復(fù)合，產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，大大降低了N漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻。2.2.1 材料結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)由于 SiC IGBT 器件的理論擊穿電壓主要由漂移區(qū)的厚度和摻雜濃度決定。為了使器件阻斷電壓超過20 kV，研究團(tuán)隊(duì)通過有限元仿真對漂移區(qū)的厚度和摻雜濃度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果如圖 2 所示。觀察得出當(dāng)器件摻雜濃度較高時其阻斷電壓與外延層厚度無關(guān)，而當(dāng)摻雜濃度較低時阻斷電壓基本正比于外延厚度。這主要是因?yàn)橥庋訉訐诫s濃度較高時，空間電荷區(qū)主要集中在外延層內(nèi)部，此時外延層內(nèi)電場為三角形分布且并未達(dá)到外延層底部，即使外延厚度發(fā)生變化電場的積分也無變化；而當(dāng)摻雜濃度較低時，此時電場可近似為矩形，積分近似正比于外延厚度。但不能為了提高阻斷電壓一味提高外延厚度，因?yàn)檫^厚的外延層會導(dǎo)致正向?qū)娮璧脑黾樱栽诒ＷC阻斷電壓的同時要盡量使用較小的外延厚度?？紤]到器件終端保護(hù)的效率問題和實(shí)際的器件應(yīng)用需求，研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)材料參數(shù)時，將材料擊穿電壓需求設(shè)定為25 kV，預(yù)留 20%的設(shè)計(jì)冗余，在此條件下最終選取厚度為 180μm，摻雜濃度為 2×1014 cm-3的 N 型外延材料。
2.2.2 JFET 區(qū)仿真設(shè)計(jì)理論上，N 溝道 IGBT 器件的導(dǎo)通電阻主要由溝道電阻、漂移區(qū)電阻、JFET 區(qū)電阻以及一系列接觸電阻組成。對于擊穿電壓超過 20 kV 的 SiC IGBT 器件而言，對其導(dǎo)通電阻影響最大的是垂直 JFET 區(qū)電阻，而垂直 JFET 區(qū)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要是對 JFET 區(qū)的寬度和摻雜濃度進(jìn)行優(yōu)化。加大 JFET 區(qū)的橫向長度和摻雜濃度可以顯著減小器件導(dǎo)通電阻，但在阻斷狀態(tài)時，延伸的耗盡區(qū)不容易夾斷，對柵氧化層底部電場強(qiáng)度的抑制作用減弱，可能會引起器件提前擊穿?？s小 JFET區(qū)的橫向長度和摻雜濃度會增強(qiáng)對柵氧化層底部電場的抑制作用，器件在高電壓下的穩(wěn)態(tài)性變好，但同時會引起器件導(dǎo)通電阻的增加，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)電流的下降，因此需要統(tǒng)籌考慮 JFET 區(qū)對于器件導(dǎo)通特性和擊穿電壓之間的關(guān)系，不同 JFET 寬度下器件的導(dǎo)通特性以及截取的柵極氧化層電場如圖 3 所示。觀察發(fā)現(xiàn)隨著 JFET 區(qū)寬度從 4 μm 擴(kuò)展至 12 μm 時，增大垂直 JFET 區(qū)的寬度可以降低溝道導(dǎo)通電阻，使導(dǎo)通電流增大。但隨著 JFET 區(qū)進(jìn)一步增大，元胞尺寸的增大效應(yīng)也將變得明顯，使得器件導(dǎo)通電流密度隨 JFET寬度增加而增長的速率減緩，同時反向偏置狀態(tài)下P-well 區(qū)的夾斷作用降低，柵氧化層底部電場提高。理論上，氧化層擊穿是指氧化層電場在反向阻斷時超過自身臨界場強(qiáng)的情況，一般認(rèn)為 SiO2 的電場不應(yīng)超過3 MV/cm。因此在保證器件可靠性的同時，為實(shí)現(xiàn)盡可能高的器件導(dǎo)通能力，元胞結(jié)構(gòu)最終采用 6 μm 的JFET 區(qū)域。
由于 SiC IGBT 器件超高的耐壓要求，器件漂移區(qū)一般保持非常低的摻雜濃度，這往往會導(dǎo)致垂直JFET 區(qū)電阻大大增加，因此在 20 kV SiC IGBT 器件研制中，通過引入 JFET 區(qū)注入摻雜技術(shù)，可更有效地提升器件導(dǎo)通特性，仿真結(jié)果如圖 4（a）所示。觀察發(fā)現(xiàn)隨著 JFET 區(qū)摻雜濃度的增大，器件導(dǎo)通電流隨之增大，主要是因?yàn)?JFET 區(qū)摻雜濃度增大，器件導(dǎo)通時P-well 區(qū)兩側(cè)的耗盡區(qū)寬度大幅度減小，JFET 區(qū)電阻減小，器件導(dǎo)通電阻也隨之減小。與此同時該器件反向偏置狀態(tài)下 P-well 區(qū)的夾斷作用降低，柵氧化層底部電場提高，不同 JFET 濃度下柵氧化層電場如圖 4（b）所示。綜合考慮器件的導(dǎo)通壓降和阻斷電壓，元胞結(jié)構(gòu)采用濃度為 1×1016 cm-3 的 JFET 區(qū)注入條件。
高載流子壽命是實(shí)現(xiàn)大功率 SiC 雙極型器件的關(guān)鍵技術(shù)之一。不同載流子壽命下器件的導(dǎo)通特性如圖5 所示。觀察發(fā)現(xiàn)隨著載流子壽命的增加，器件的導(dǎo)通電流增加，主要是因?yàn)樯贁?shù)載流子壽命的增強(qiáng)可以顯著改善雙極型器件的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，有利于實(shí)現(xiàn)較低的器件導(dǎo)通壓降。仿真結(jié)果顯示，為了達(dá)到較好的導(dǎo)通特性，器件的載流子壽命最好能夠達(dá)到5 μs 以上。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的 SiC IGBT 器件為 N 溝道 SiC IGBT 器件，N 型 SiC 襯底電阻率約為 0.025 Ω·cm，而P 型 SiC 襯底電阻率約為2.5 Ω·cm，因此如果在350 μm P 型 SiC 襯底上制造 N 溝道 SiC IGBT 器件，此時 P 型襯底電阻值甚至大于所設(shè)計(jì)器件的導(dǎo)通電阻值，再加上目前國內(nèi)很難供應(yīng) P 型 SiC 襯底，因此團(tuán)隊(duì)提出一種在 N 型 SiC 襯底上進(jìn)行器件設(shè)計(jì)與制造的方案。具體的制備方案如圖 6 所示。通過在 N 型4H-SiC 襯底上生長所需的關(guān)鍵外延層，包括 N漂移層，N+緩沖層以及 P+ 集電極層；采用 SiO2 作為各區(qū)域的注入掩模，由多次 P 型離子注入實(shí)現(xiàn) P-well 區(qū)和 P+區(qū)域，多次高劑量 N 型離子注入實(shí)現(xiàn) N+ 區(qū)域。同時為了有效降低該器件 JFET 區(qū)的電阻，單獨(dú)對 JFET 區(qū)域進(jìn)行 N 型離子注入，所有注入完成后在 1650 ℃的氬氣（Ar）環(huán)境下退火以激活注入離子。退火后，通過犧牲氧化去除表面碳層，濕法表面清洗后放入高溫氧化爐中進(jìn)行干氧氧化，形成柵氧化層。采用一氧化氮（NO）高溫退火技術(shù)，有效降低柵氧界面陷阱密度，最終氧化層厚度控制在 50 nm 左右。在柵氧工藝完成后，通過在柵氧化層上沉積多晶硅實(shí)現(xiàn)柵電極的制作。采用氧化硅 / 氮化硅（SiO2/SiN）介質(zhì)實(shí)現(xiàn)柵極和發(fā)射極隔離以及表面鈍化。發(fā)射極的歐姆接觸由金屬鎳（Ni）實(shí)現(xiàn)，介質(zhì)孔刻蝕后通過加厚鋁（Al）層完成發(fā)射極單胞之間的互聯(lián)。器件正面結(jié)構(gòu)完成后通過減薄 / 背面研磨的方法去除 N 型襯底，保留部分 P+ 層，接著蒸發(fā)背面歐姆金屬，考慮到普通的背面歐姆制作工藝需要相當(dāng)高的溫度，過程中的高溫會損傷表面器件結(jié)構(gòu)，因此采用激光退火工藝完成背面的歐姆制作。
由于 IGBT 器件電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的存在，使得載流子壽命高低成為影響漂移區(qū)電阻高低的重要因素之一。在 N 型 SiC 材料的早期研究階段，Z1/2 缺陷中心被公認(rèn)為是載流子壽命的“殺手”。到目前為止，國際上主要采用兩種相對成熟的技術(shù)來消除 Z1/2 缺陷中心：1）從外部引入過量的碳原子，并且通過高溫退火來促進(jìn)碳原子體區(qū)擴(kuò)散；2）在適當(dāng)條件下，通過長時間高溫?zé)嵫趸?Z1/2 缺陷中心?？紤]到碳注入結(jié)合高溫退火的方法在高能碳離子注入過程中容易引入新的缺陷，同時受碳注入深度的限制，對厚層 SiC 外延來說效果不夠理想，因此本研究采用長時間高溫?zé)嵫趸に噥硖嵘d流子壽命。研究團(tuán)隊(duì)首先采用 μ-PCD 測量方法測量 SiCIGBT 厚外延片材料的少子壽命，高溫?zé)嵫趸胺植既鐖D 7（a）所示，其少子壽命平均值大約在 1.76 μs，后續(xù)將該外延片經(jīng)過 10 h 的高溫?zé)嵫趸コ砻嫜趸瘜忧逑刺幚砗?，再次測量其少子壽命，結(jié)果如圖 7（b）所示，其平均值提升至 5.42 μs。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，長時間的高溫氧化工藝對于器件的少子壽命有較大的提升作用，主要原因在于高溫?zé)嵫趸倪^程中，部分碳原子會擴(kuò)散到體區(qū)并填補(bǔ)碳空位，消除 Z1/2 缺陷中心。
制備的 20 kV SiC IGBT 器件芯片單胞長度為14 μm，溝道長度為 1.0 μm，器件采用了總寬度為1.4 mm 的場限環(huán)終端，總尺寸達(dá)到 9.2 mm×9.2 mm，其中有源區(qū)面積為 30 mm2。對超高壓 SiC N 溝道 IGBT 器件的正向阻斷特性進(jìn)行測試，必須將器件的柵極與發(fā)射極接地，在集電極加正電壓。而且考慮到設(shè)計(jì)的器件阻斷電壓大于18 kV，因此在測試過程中，需要將芯片浸泡在高壓測試油中，從而隔絕空氣。室溫下正向阻斷特性測試結(jié)果如圖 8 所示，該器件在室溫下?lián)舸╇妷嚎梢赃_(dá)到20 kV。當(dāng)集電極電壓為 20.08 kV 時，漏電流為 50 μA，為目前國內(nèi)研制的最高擊穿電壓 SiC IGBT 器件。
SiC N 溝道 IGBT 器件的正向?qū)ㄌ匦詼y試一般在發(fā)射極接地、柵極加正偏壓的情況下進(jìn)行。不同柵壓下的集電極電流隨著集電極電壓的變化曲線如圖 9所示。室溫下，該器件在柵壓為 20 V，集電極電流為20 A 時，集電極導(dǎo)通電壓為 6.0 V，此時其微分比導(dǎo)通電阻為 27 mΩ·cm2，該值與國際上相同擊穿電壓器件的微分比導(dǎo)通電阻最低值相當(dāng)。
為了更好地反映載流子壽命對于器件導(dǎo)通特性的影響，本文分析了芯片 A（引入載流子壽命提升工藝）、芯片 B（未引入載流子壽命提升工藝）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及仿真結(jié)果，具體高溫?zé)嵫趸幚砬昂蟪邏?SiC N 溝道 IGBT 導(dǎo)通特性如圖 10 所示。觀察發(fā)現(xiàn)芯片 B在柵極電壓為 20 V、集電極電流密度為 70 A/cm2 的條件下，器件導(dǎo)通壓降為 16.2 V 左右，引入載流子壽命提升工藝后，芯片 B 在同等測試條件下，其導(dǎo)通壓降降至 6.5 V 左右，這一結(jié)果也恰好驗(yàn)證了載流子壽命的提升能有效提高 SiC N 溝道 IGBT 器件的導(dǎo)通能力。
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