文献翻译|新兴功率集成电路用400–600伏4H-碳化硅横向场效应晶体管的设计和制造方法

新兴功率集成电路用400–600伏4H-碳化硅横向场效应晶体管的设计和制造方法

摘要：

本文报道了在6英寸N+衬底上400–600伏、4H-碳化硅横向场效应晶体管的演示和制作。P-top被注入到一个n漂移区，以产生一个减小的表面场结构来减小表面上的电场。讨论了不同的布局方法(源极中心和漏极中心)。为了优化器件性能，改变了工艺和设计参数，如最高温度(900℃和1000℃)、不同的沟道设计[积累模式(ACCU)和反转模式(INV)]和沟道长度，并进行了实验分析。它被确认为两个沟道组件(沟道设计和沟道长度)和状态参数。关键因素是改善侧向安全的前向特性。当沟道长度(Lgd)为5μm时，击穿电压为600 V，电压支持能力为120 V/μm。另一方面，沟道长度(Lgd)为2.5μm的横向场效应晶体管的沟道长度进一步减小(Lch=0.3μm)，特定导通电阻达到7.7兆欧姆·cm2，击穿电压为450 V。讨论并报告了400–600伏、4H-碳化硅横向金属氧化物半导体场效应晶体管的器件设计、布局、制造和电气特性。

关键词：4H-SIC、击穿电压、集成电路(ICs)、横向场效应晶体管、减小的表面场(RESURF)、碳化硅。

一，引入

尽管硅集成电路技术比4H-碳化硅更成熟，但由于硅的材料特性，硅集成电路在恶劣环境和高温下的应用有限。由于4h-碳化硅较宽的带隙(3.2电子伏)和较高的击穿电场(3毫伏/厘米)，碳化硅变得更适用于应用。为了将碳化硅横向场效应晶体管进行集成技术应用，对其设计和优化是至关重要的。根据这一推理，几个研究小组已经开始为集成电路应用开发基于4H-碳化硅的横向场效应晶体管。碳化硅集成电路技术的实现将扩展目前的硅集成电路，并彻底改变能源应用的各个方面。

开发大电流、高电压的4H-碳化硅横向场效应晶体管是构建碳化硅功率集成电路技术的关键之一。类似于硅器件，减小的表面场(RESURF)结构实现了硅侧向器件的低电阻和高电压阻挡能力。尽管以前已经报道过许多使用RESURF结构制造碳化硅横向金属氧化物半导体场效应晶体管的文章，但缺乏关于实现大电流和高电压的成功演示。此外，所报道的器件的特定导通电阻有些高，并且它们的击穿电压低于给定的漂移设计。

据作者所知，在[12]和[13]中首次报道了在6英寸，N+衬底上的第一个高电流(10A)和高电压(600V)4H-SiC 横向MOSFETs。但是，布局方法和关键处理方面的设计或构造以前没有报告。

在本文中，讨论并验证了不同布局方法（以源为中心，以漏为中心)的器件电学特性。关键处理步骤实施并实验性分析了累积模式(ACCU)沟道转换模式(INV)沟道和高温区域(RTA)温度(900℃至1000℃)的标志，以表明这些电阻对横向金属氧化物半导体场效应晶体管的影响。此外，通过缩短沟道长度和晶胞间距，在击穿电压为450伏(电压支持能力为180伏/微米)的情况下实现了7.7兆欧姆·cm2的电阻率。根据应用，需要考虑导通电阻和阻断能力之间的权衡。报道了400-600伏、4H-碳化硅横向场效应晶体管的基本器件设计、布局方法、制造和电学特性。

二，实验设计、制造和实验结果

图1(a)显示了制造的400–600伏4H-碳化硅横向场效应晶体管的横截面示意图。关键设计参数如图所示。p-top被用来执行单个RESURF结构。一个详细的器件先前在[12]，[13]已发布。制造器件的是美国德克萨斯州X-FAB市内的一个小型工厂。采用掺杂浓度为2.5×1016cm-3，在6英寸晶圆上的漂移层厚度为6μm，N+4H-SiC衬底采用掺杂技术制作了600 V额定横向器件。使用高温铝离子注入来形成P阱、P+体和P-顶（RESURF）。P+体和P-顶注入也被用来形成同心浮动场环和结-端接-延伸(JTE)区域，以适应Hybrid-JTE边缘终止。然后使用高温氮注入形成n+源区和外围中的沟道截止区。一个p阱剖面结构被设计出来从而形成积累模式(ACCU)和反转模式(INV)。在[17]中可以找到一个详细的沟道设计方案。之后，用碳帽在1650℃退火10分钟，进行活化退火。通过1175℃干氧化，然后在一氧化氮环境中进行氧化后退火，形成50纳米厚的栅氧化层。在栅极多晶硅的沉积和光刻之后，层间电介质(ILD)被沉积和蚀刻以打开欧姆接触区域。镍被沉积在正面并被退火用于自对准硅化工艺。接下来，将900℃至1000℃的RTAs用于RTA接触退火分割。4μm厚的铝基金属用于源极金属和栅极焊盘。正面由氮化物和聚酰亚胺钝化。图1(b)中显示了制作的横向金属氧化物半导体场效应晶体管的截面扫描电镜图像。

表格Ⅰ总结了制造的碳化硅横向金属氧化物半导体场效应晶体管的详细尺寸，并为研究提供了工艺分割。器件的晶胞间距和尺寸分别为23.2μm(适用于D1–D7)和4.3 mm2(适用于D1–D8)。标称金属氧化物半导体场效应晶体管(D1–D7)的沟道长度、JFET宽度、P-top和间隙长度分别为0.5、2、4和1.5μm。除此之外，横向场效应晶体管(D8)的沟道长度和晶胞间距被减小，以研究对正向特性的影响。D8的沟道长度、JFET宽度、P-top和间隙长度被改变为0.3、1.5、2和1μm。该器件具有16.8μm的晶胞间距，并且被设计为具有1000℃接触退火的ACCU沟道，用于与D4进行比较。

A——沟道迁移率和栅极氧化物质量

横向测试金属氧化物半导体场效应晶体管结构脂肪场效应晶体管(FATFETs)的沟道长度为200μm，被用于从ACCU和INV晶片中提取沟道迁移率(μch)。图2(a)显示了从ACCU和INV晶片中提取的μch，其结温分别为25℃和150℃。ACCU和INV晶片在25℃时的栅源电压(Vgs)分别为20 V时的μch分别为22和15 cm2/Vs。场效应沟道迁移性增强了界面陷阱的趋热性。图2(b)中的栅到源的击穿电压测量值表明栅氧化物的质量，并且肯定可以安全地应用于高达30 V的电压情况下。

B——设计横向金属氧化物半导体场效应晶体管的布局方法

为了制作面积效率高的横向器件，布局方法选择是一个必要的考量步骤。图3显示了制作的碳化硅横向场效应晶体管的芯片图像。从高电流牵引的交叉多指软细胞的性质来看，它可以将横向场效应晶体管的布局分成两种不同的方法。图4(a)–(c)中显示了简化布局方法的拓扑视图。以漏极为中心的布局，其中P+源极围绕器件的外围，以源极为中心的布局，其中P+源极被N+漏极围绕。

图4展示的拓扑布局视图表面了以源为中心的设计方法的终止于N+区，而以漏极为中心的布局终止于P+区。这表明以源为中心的布局不需要在边缘进一步终止。然而，以漏极为中心的布局设计需要边缘终端结构来减轻外围电场在P+区域的拥挤，并扩展水平耗尽层以实现特定的击穿电压器件。在这种情况下，Hybrid-JTE被用作边缘终端结构。图4(a)中显示了以漏极为中心的边缘终止结构设计的简化布局视图。

图5示出了所制造的碳化硅侧向硅场效应晶体管的测量的正向阻挡行为。正如所料，源极为中心的器件设计实现了600 V的阻断电压(漏极-源极电流Ids为100μA)，无需边缘终止。然而，没有边缘终止的以漏极为中心的设计的阻断电压仅为280伏。同样重要且需要注意的是，无论布局设计如何，在没有P-top (RESURF)结构的情况下，获得了180伏的不良阻断电压。通过实验成功地验证了需要边缘终止和基于布局方法的P-top结构的概念。

图6展示了采用不同布局方法制造的横向MOSFETs测量晶片上的输出特性。输出特性证实，无论布局设计如何，都可以观察到电流-电压(I-V)行为。值得注意的是，由于横向器件中漂移区电阻的贡献很小，P-top(RERURF)结构不会影响正向传导。
以源为中心的横向器件的实验分析，工艺和设计分为1)RTA温度(900℃和1000℃；2)渠道设计(ACCU和INV渠道)；3)通道长度变化(0.5和0.3μm)将在以下章节中通过静态电特性进行讨论。

C——接触电阻:900℃与1000℃比较

晶片在900℃和1000℃退火，以研究接触电阻对碳化硅横向金属氧化物半导体场效应晶体管的影响。图7显示了从900℃与1000℃退火晶片的圆形传输线方法(TLM)提取的电阻。对于900℃与1000℃的 RTA晶圆，提取的接触电阻分别为8.3×104Ω·cm2和4.8×105Ω·cm2。

图8显示了制造的900℃和1000℃退火的以源为中心的600伏碳化硅横向场效应晶体管在25℃时的测量输出特性。就本文而言，两种器件的沟道被设计为ACCU。900℃(D5)和1000℃(D4)退火的金属氧化物半导体场效应晶体管在20伏电压和1伏电压下的提取特定导通电阻(Ron，sp)分别为15.7和13.9 兆欧姆·cm2。可以清楚地观察到，接触电阻对横向金属氧化物半导体场效应晶体管的高阻有相当大的贡献。因此，一个良好的接触过程是发展碳化硅横向场效应晶体管的关键。

D——沟道设计：ACCU与INV比较

碳化硅横向场效应晶体管的沟道设计为：1)ACCU或2)INV，研究沟道部分对横向MOSFETs导通电阻的影响。

图9示出了制造的1000℃退火的ACCU和INV模式沟道600伏碳化硅横向金属氧化物半导体场效应晶体管在25℃时的测量输出特性。ACCU场效应管(D4)和INV场效应管(D6)在Vgs为20伏，Vds为1伏电压下的提取特定导通电阻分别为13.9和22.1兆欧姆·cm2。通过在金属氧化物半导体场效应晶体管中采用ACCU模式沟道，由于更高的沟道迁移率，观察到约37%的改善，如图2(a)所示。需要强调的是，沟道设计对横向金属氧化物半导体场效应晶体管电阻的影响大于接触工艺(D5: 15.7兆欧姆·cm2，D6: 22.1兆欧姆·cm2)。这些结果表明，沟道设计，即沟道迁移率在决定碳化硅横向场效应晶体管的高阻方面起着重要的作用。

为了进一步阐明沟道中各个部分的作用，在图10中所示的不同Vgs下提取了Ron,sp。当Vgs为15伏时，观察到ACCU场效应管和INV场效应管之间的Ron,sp有明显的差别。由于进一步的能带弯曲，在栅氧化层和碳化硅界面上产生了超过多数载流子数量的过量电子，所有金属氧化物半导体场效应晶体管的Ron,sp都随着Vgs增大而降低。这使得Vgs为30 V时的过大电流变得可能，其中INV-FETs的Ron,sp变得更接近ACCU-FETs。然而，为了避免栅氧化层破裂和提高可靠性，最好在较低的Vgs电压下工作。

25℃时ACCU场效应晶体管和INV场效应晶体管的典型传输特性和跨导展示在图11中。Ids为100μA时ACCU场效应晶体管和INV场效应晶体管的阈值电压(Vth)分别为2.6和3.5伏。这两种设计的阈值电压对于功率 集成电路制造来说是足够的。ACCU场效应晶体管的跨导比INV场效应晶体管早达到峰值和零。跨导是了解横向场效应晶体管沟道部分的控制的关键参数。在较低的Vgs时拥有一个大的跨导是在合理的低Vgs情况下的更优选择。与INV场效应晶体管(D6)相比，ACCU-场效应晶体管(D4)在低Vgs电压下(15–20伏)观察到Vth和Ron,sp较低。由于测量的一致性，无法进一步提取Ids。然而，通过观察ACCU场效应晶体管和INV场效应晶体管跨导的趋势，可以预测在Vgs为30伏情况下的跨导。类似的可以得到ACCU-FET和INV-FET在Vgs为30伏情况下的Ron,sp，如图10所示。

图12示出了高温(150℃)，晶片上制造的1000℃退火横向ACCU场效应晶体管和INV场效应晶体管的I-V特性。在150℃的工作温度下，ACCU场效应管(D4)和INV场效应管(D6)在Vgs为20伏，Vds为1伏情况下的Ron,sp分别为11.9和14.9 兆欧姆·cm2。由于在高温下沟道迁移率的增强，在150℃获得的Ron,sp比25℃的低，如图2(a)所示。为了进一步研究这一现象(减少150℃的Ron,sp)，在不同的工作温度(高达200℃)下提取退火的ACCU场效应晶体管(D4)的Ron,sp，如图13所示。据观察可得，横向场效应晶体管的Ron,sp降低到125℃，然后开始缓慢增加。从125℃以后，Ron,sp增加可能是由于高温下其他电阻的控制，如JFET电阻、接触电阻、金属电阻和漂移电阻。然而，重要的是要注意到，由于沟道迁移率的增强，高温(150℃-200℃)下的Ron,sp仍然低于25℃的值。这种行为说明了碳化硅横向场效应晶体管的导通电阻对沟道电阻的强烈依赖性。

E——沟道长度变化:实验分析和验证

图14显示了在25℃和150℃工作条件下，沟道长度为0.3μm(晶胞间距更小)的碳化硅横向场效应晶体管(D8)的典型输出特性。在增强正向特性(D4: 13.9兆欧姆·cm2)时实现了7.7 兆欧姆·cm2 (在Vgs为20 V，Vds为1 V的情况下)的Ron,sp。Ron,sp的差异是由于更短的沟道长度和减小的晶胞间距。因此，通过缩短沟道长度，再次观察到横向场效应晶体管中沟道部分的影响占优势。

如图所示，横向场效应晶体管(D8)的特定导通电阻在室温和高温下的不同Vgs下提取，展示在图15中。当Vds为1伏，Vgs在15伏和20伏时，在150℃情况下提取到的Ron,sp比25℃时分别下降了27%和0.1%。然而，在Vds为25伏时，Ron,sp略微增加，而不是减少，这是由于在高Vgs下的跨导较低(几乎为零)，如图16所示。并且随着沟道长度的减小，沟道电阻的部分变小。值得注意的是，随着沟道长度越短，沟道电阻越小，其它电阻的百分比贡献越大。

测量了沟道长度为0.3μ的横向金属氧化物半导体场效应晶体管的传输特性和跨导，如图16所示。在Ids为100μA时，25℃和150℃时测量的阈值电压分别为2.6伏和1.6伏。

F——正向阻塞特性

图17显示了测量的900℃和1000℃退火的以源为中心ACCU场效应晶体管和INV场效应晶体管(D4–D7)的典型正向阻断特性。如第二节中B所述，在以源极为中心的横向金属氧化物半导体场效应晶体管中，不需要边缘终端结构，节省了芯片面积。不考虑接触和沟道工艺，在Ids为100μA时获得了接近600 V的击穿电压。栅极至漏极长度(Lgd)为5μm，表现出120 V/微米(600 V/5μm)的阻挡支持能力。

需要注意的是，Lgd (P-顶部长度+间隙长度-栅极重叠)决定了控制阻塞特性的横向MOSFETs中的“有效”漂移区。Lgd必须针对目标击穿电压进行优化，否则，电阻会因电池间距增加而显著降低。此外，该沟道还需要足够大，以确保在阻塞行为期间，通道电势不会崩溃。

图18显示了沟道长度为0.3μm且Lgd减小的已制造场效应晶体管的测量结果。尽管0.3μm的短沟道长度为Lgd的两倍，击穿电压仍达到450伏。该器件在Lgd为2.5μm的电压支持能力为180伏/微米(450伏/2.5μm)。虽然D8的阻塞特性比D4低，但D8表现出的Ron,sp更低。表Ⅱ总结了所制作的4H-碳化硅横向场效应晶体管的电学特性。在出版时无法进行测量，因为温度为175℃，阈值电压为D1至D3。但是，这些值应该类似于D4，因为布局方法不会影响横向金属氧化物半导体场效应晶体管的正向特性。

三，结论

大电流(10安)和高电压(600伏)4H-SiC横向MOSFETs成功地在6英寸，N+衬底上制备和演示。得出的结论是，沟道设计和区域温度对确定正向特性至关重要，布局方法和RESURF结构对确定横向MOSFETs的阻挡特性至关重要。根据应用，可以通过考虑导通电阻和击穿电压之间的权衡来调整横向MOSFETs，以增强正向或阻断特性。关键的设计和工艺考虑已经过实验分析和验证，以进一步优化和设计横向场效应晶体管，用于新兴的未来碳化硅功率集成电路应用。