【導(dǎo)讀】羅姆今年發(fā)布了他們的第4代（Gen4）金氧半場(chǎng)效晶體管（MOSFET）產(chǎn)品。新系列包括額定電壓為750 V（從650 V提升至750 V）和1200 V的金氧半場(chǎng)效晶體管，以及多個(gè)可用的TO247封裝元件，其汽車級(jí)合格認(rèn)證達(dá)56A/24m?。這一陣容表明羅姆將繼續(xù)瞄準(zhǔn)他們之前取得成功的車載充電器市場(chǎng)。
Stephen Russell博士（TechInsights）與Peter Gammon教授（PGC）合作
羅姆今年發(fā)布了他們的第4代（Gen4）金氧半場(chǎng)效晶體管（MOSFET）產(chǎn)品。新系列包括額定電壓為750 V（從650 V提升至750 V）和1200 V的金氧半場(chǎng)效晶體管，以及多個(gè)可用的TO247封裝元件，其汽車級(jí)合格認(rèn)證達(dá)56A/24m?。這一陣容表明羅姆將繼續(xù)瞄準(zhǔn)他們之前取得成功的車載充電器市場(chǎng)。
在產(chǎn)品發(fā)布聲明中，羅姆聲稱其第4代產(chǎn)品“通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)原有的雙溝槽結(jié)構(gòu)，在不影響短路耐受時(shí)間的情況下，使單位面積導(dǎo)通電阻比傳統(tǒng)產(chǎn)品降低40%。”他們還表示，“此外，顯著降低寄生電容使得開(kāi)關(guān)損耗比我們的上一代碳化硅金氧半場(chǎng)效晶體管降低50%成為可能”。
TechInsights僅用數(shù)周就迅速采購(gòu)并剖析了羅姆第4代金氧半場(chǎng)效晶體管，并于2022年7月公布了首批圖像。從那時(shí)起，PGC一直致力于提供相關(guān)器件的電氣數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與剖面圖結(jié)合，有助于我們理解羅姆在溝槽工藝技術(shù)方面取得的進(jìn)步。
屆時(shí)，TechInsights訂戶將獲得有關(guān)該設(shè)備的穩(wěn)健性、可靠性和數(shù)據(jù)表范圍外特性檢測(cè)的全面分析。在本文中，我們將公開(kāi)一些具有啟發(fā)性的早期分析，以便驗(yàn)證羅姆的上述聲明，并理解其所做的改進(jìn)。
溝槽式金氧半場(chǎng)效晶體管基礎(chǔ)知識(shí)
傳統(tǒng)的“平面”金氧半場(chǎng)效晶體管的柵極和溝道區(qū)設(shè)置在半導(dǎo)體表面。平面金氧半場(chǎng)效晶體管易于制造且非?？煽?。但在減小芯片尺寸以提高產(chǎn)量的過(guò)程中，其橫向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制了最終縮小范圍。
圖1：碳化硅金氧半場(chǎng)效晶體管設(shè)計(jì)示意圖，圖中顯示了羅姆（第3代）和英飛凌的典型平面結(jié)構(gòu)和溝槽式設(shè)計(jì)。
溝槽式金氧半場(chǎng)效晶體管包括溝槽邊緣形成并已被蝕刻在碳化硅表面的柵極。溝槽柵極用于制造低電阻器件，準(zhǔn)確地說(shuō)，是低比導(dǎo)通電阻（Ronsp，電阻x面積）。如能降低Ronsp，則芯片制造商能縮小芯片尺寸，從而實(shí)現(xiàn)RDSon=15 mOhm的產(chǎn)品，這能降低碳化硅用量，從而提高產(chǎn)量。
溝槽式金氧半場(chǎng)效晶體管的較低Ronsp背后有多種原因。首先，在碳化硅溝槽側(cè)壁上制備的柵極具有更高的溝道遷移率，這意味著與平面器件相比，電子穿過(guò)溝槽柵極的阻礙較少。這能降低溝道電阻。其次，溝槽式金氧半場(chǎng)效晶體管可能消除平面金氧半場(chǎng)效晶體管的JFET電阻，在該區(qū)域中，來(lái)自兩個(gè)溝道的電流被擠壓到p體觸點(diǎn)之間的狹窄通道中。但正如我們將看到的那樣，實(shí)用、務(wù)實(shí)的設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致再次引入一個(gè)類似JFET的區(qū)域。第三，與平面柵極的數(shù)量相比，垂直溝槽柵極密度應(yīng)當(dāng)更大，從而減小單元間距并增大電流密度。
但要小心其中的陷阱。溝槽式金氧半場(chǎng)效晶體管可能難以優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)健的運(yùn)行。特別地，成功的設(shè)計(jì)必須解決在盡量增大器件頂部碳化硅高電場(chǎng)（比硅高9倍）的同時(shí)保護(hù)同樣位于器件頂部的精密柵極氧化物免受該電場(chǎng)影響的問(wèn)題。維持這種平衡需要巧妙但復(fù)雜的器件布局，否則漂移區(qū)需要嚴(yán)重降額，從而侵蝕溝槽架構(gòu)的增益。因此，溝槽式金氧半場(chǎng)效晶體管的一個(gè)缺點(diǎn)是它們的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，通常需要更多的制造步驟，其中一些步驟可能具有特殊的復(fù)雜性——深度高能注入（英飛凌）或深溝槽蝕刻（羅姆第4代器件）。
羅姆和英飛凌的溝槽設(shè)計(jì)
羅姆和英飛凌率先轉(zhuǎn)向溝槽式金氧半場(chǎng)效晶體管，但采用了截然不同的設(shè)計(jì)。羅姆第3代的TechInsights剖面圖如圖2所示，以及圖1中的卡通形式。羅姆選擇了更傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，即每個(gè)柵極溝槽的每側(cè)都有溝道，并利用每一側(cè)的虛擬溝槽，其中，通過(guò)深P型注入保護(hù)柵極溝槽。英飛凌讓每條溝槽都物盡其用！每條溝槽的一側(cè)均有一條溝道，另一側(cè)被深P+注入所覆蓋，以防高電場(chǎng)影響柵極氧化物。這種布局使溝槽的溝道側(cè)與4°離軸碳化硅晶體完美對(duì)齊；這是一種降低電阻的巧妙技巧。
圖3中值得注意的是，每個(gè)有源柵極溝槽之間的兩個(gè)非有源源極溝槽，它們與寬體電極觸點(diǎn)一同形成了溝槽器件的寬單元間距。但從平面圖中看到該設(shè)備時(shí)，這個(gè)明顯浪費(fèi)芯片面積的布局有其存在的意義。不同于傳統(tǒng)的僅在一個(gè)維度上跨越器件的柵極條，這款第3代器件的布局具有從上到下和從左到右延伸的柵極，從而創(chuàng)建了一個(gè)巧妙的二維柵極網(wǎng)格，使單位面積內(nèi)的柵極密度幾乎翻倍。這在概念上類似于Wolfspeed的六邊形布局，該布局將柵極密度增加了約1.3倍。
然而，在羅姆最新的第4代產(chǎn)品發(fā)布前，這兩款溝槽器件均無(wú)法擁有低于一流平面雙擴(kuò)散型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的Ronsp。第3代設(shè)計(jì)的另一個(gè)問(wèn)題在于，源極溝槽能為柵極提供多少保護(hù)，使其免受高電場(chǎng)的影響？
圖2：羅姆的第3代碳化硅金氧半場(chǎng)效晶體管（來(lái)源：TechInsights）
羅姆的第4代碳化硅金氧半場(chǎng)效晶體管
在TechInsights快速采購(gòu)并剖析了羅姆的新型第4代碳化硅金氧半場(chǎng)效晶體管后，下圖顯示了TechInsights為新型第4代器件制作的高分辨率電鏡圖。
圖3：羅姆的新型第4代碳化硅金氧半場(chǎng)效晶體管（來(lái)源：TechInsights）
第4代器件與第3代器件有部分相似之處，也有一些明顯差異。
相似之處在于羅姆采用傳統(tǒng)的溝槽式金氧半場(chǎng)效晶體管設(shè)計(jì)方法，在柵極溝槽的兩個(gè)側(cè)壁上均有溝道。然而，現(xiàn)在每個(gè)柵極溝槽的兩側(cè)均有一個(gè)接地的源極溝槽，它延伸至漂移區(qū)的深度為第3代的兩倍。正如我們所解釋的那樣，這是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)特征，羅姆巧妙地利用它來(lái)更好地保護(hù)柵極氧化物和降低電阻。
每個(gè)柵極溝槽的單個(gè)虛擬/源極溝槽使單元間距能減小3倍。這標(biāo)志著羅姆在第3代中使用的新型單元布局的終結(jié)，但這種布局幾乎使柵極密度增加了一倍，有利于傳統(tǒng)的一維條形布局。總之，這代表每單位面積的柵極溝槽密度凈增加50%（至少），這有助于進(jìn)一步降低困擾其他器件的溝道電阻問(wèn)題，在我們之前展示的650V平面金氧半場(chǎng)效晶體管串聯(lián)電阻中，該電阻可能會(huì)貢獻(xiàn)達(dá)30%。
電阻的另一主要貢獻(xiàn)者為襯底電阻，也在這一代器件中首次被減薄，從而大大減少了該元件電阻。
審查羅姆對(duì)其第4代器件的聲明
使用PGC提供的各式最先進(jìn)的電氣表征設(shè)備，結(jié)合Techinsights的分析，我們審查了羅姆對(duì)這些器件的多項(xiàng)聲明。我們直接比較了新型第4代650V羅姆金氧半場(chǎng)效晶體管、第3代金氧半場(chǎng)效晶體管和一流的平面碳化硅金氧半場(chǎng)效晶體管，它們具有相似的Rdson額定值。
首先是損耗。羅姆在圖中的第一項(xiàng)聲明為，他們將導(dǎo)通損耗降低了40%，從而實(shí)現(xiàn)了等效的芯片尺寸縮減。事實(shí)上，根據(jù)TechInsights公布的剖面圖，我們可以確認(rèn)芯片有源區(qū)域的比導(dǎo)通電阻（Ron×A）幾乎比上一代產(chǎn)品低40%，盡管實(shí)際上器件的必要非有源區(qū)域會(huì)略微降低這一增益。更進(jìn)一步而言，新的Ronsp也比我們描述的一流平面器件小20%。正如我們之前所討論的那樣，這是一個(gè)至關(guān)重要的進(jìn)步，因?yàn)樗芸s小芯片尺寸，從而提高產(chǎn)量并降低成本。
圖4：羅姆的第4代器件具有更低的Ronsp、Coss和Crss（來(lái)源：羅姆）
圖中的第二個(gè)聲明為，因?yàn)楦鱾€(gè)密勒電容的降低，所以開(kāi)關(guān)損耗將會(huì)降低。事實(shí)上，雖然我們比較的芯片的測(cè)試結(jié)果與之并不完全匹配，但我們可以確認(rèn)Crss（在額定電壓下）降低了約90%，而且Coss也有所降低，具體取決于電壓。我們正在開(kāi)展自己的開(kāi)關(guān)基準(zhǔn)測(cè)試。
羅姆提出的一項(xiàng)聲明涉及將額定電壓范圍從650 V提高至750 V。羅姆表示：“750 V擊穿電壓可確保設(shè)計(jì)裕度不受VDS浪涌影響”。我們發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)正在席卷整個(gè)行業(yè)的有趣發(fā)展。然而，實(shí)際上，在靜態(tài)條件下測(cè)試的新型第4代器件的實(shí)際擊穿電壓約為1000 V，實(shí)際低于在超過(guò)1200 V時(shí)擊穿的第3代器件。新型第4代器件與一流的平面器件不相上下。結(jié)合他們關(guān)于裕度的說(shuō)法和實(shí)際數(shù)據(jù)，這的確令人印象深刻。他們?cè)试S以75%的實(shí)際擊穿電壓下使用該器件，該數(shù)據(jù)高于第3代的50%以上，這表明第4代的可靠性大幅提高。正如我們將在下一節(jié)中解釋的那樣，這種降額的減少是一個(gè)很大的改進(jìn)，可以在一定程度上降低電阻。
圖5：盡管額定擊穿電壓有所增加，但測(cè)得的真實(shí)擊穿電壓顯示第4代要小于第3代。這表明漂移區(qū)降額顯著降低。
PGC實(shí)驗(yàn)室將很快對(duì)第4代器件開(kāi)展短路測(cè)試，但羅姆的第三個(gè)有趣的說(shuō)法是，盡管縮減了芯片尺寸并增大了電流密度，但實(shí)質(zhì)增加了器件的短路耐受時(shí)間。如果他們所言不虛，考慮到降額減少，這進(jìn)一步證明羅姆在其器件可靠性和穩(wěn)健性方面邁出了一大步。
圖6：據(jù)稱羅姆的第4代器件增加了短路耐受時(shí)間，同時(shí)降低了Ronsp（來(lái)源：羅姆）
總之，羅姆第4代器件的強(qiáng)勁表現(xiàn)有力回應(yīng)了對(duì)早期碳化硅溝槽器件的諸多批評(píng)。但這一切究竟如何實(shí)現(xiàn)？
第101條規(guī)則：保護(hù)柵極氧化層
下圖為PGC對(duì)新型第4代設(shè)計(jì)的圖解復(fù)制。圖中并未考慮縮減間距，而是強(qiáng)調(diào)了柵極周圍的變化。
圖7：PGC展示的新型第4代羅姆器件，其中電場(chǎng)線展示如何保護(hù)柵極氧化層。
關(guān)于金氧半場(chǎng)效晶體管設(shè)計(jì)，尤其是碳化硅溝槽式金氧半場(chǎng)效晶體管的設(shè)計(jì)，主要用于在器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)保護(hù)柵極氧化層，阻斷大電壓。器件表面此時(shí)存在高電場(chǎng)，如果與柵極氧化層重合，會(huì)引起柵極泄漏并導(dǎo)致可靠性問(wèn)題。在第3代器件中，源極溝槽與柵極溝槽深度相同，因而其下方的P+注入僅比柵極溝槽本身深一點(diǎn)。因此，圖中所示的電場(chǎng)線（可以想象為正在膨脹的氣球的外緣）圍繞溝槽拐角彎曲，并能更輕易地與柵極溝槽的底部相互作用。
相反，羅姆的新型第4代器件的源極溝槽被注入到源極溝槽側(cè)壁和底部的P+區(qū)域包圍，位置更深。這將保護(hù)柵極的p-n結(jié)向下推入漂移區(qū)，遠(yuǎn)離其保護(hù)的柵極氧化物。如第4代器件圖所示，峰值電場(chǎng)線（氣球的外緣）遠(yuǎn)離柵極氧化物。
柵極保護(hù)的收益
柵極獲得了更好的保護(hù)，那又怎樣？好吧，假如沒(méi)有采取相對(duì)的柵極保護(hù)措施，如第3代器件，則需要采取措施來(lái)確保電場(chǎng)永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到足以損壞柵極的數(shù)值。因此，支持阻斷電壓的漂移區(qū)被過(guò)度設(shè)計(jì)（實(shí)際已降額，參見(jiàn)關(guān)于該主題的我的文章），以支持超過(guò)應(yīng)用所需的電壓。試著回想一下，可用于400 V電動(dòng)汽車的650 V第3代器件的擊穿電壓超過(guò)了1200 V。雖然這確保能長(zhǎng)期安全運(yùn)行，但代價(jià)是漂移區(qū)的電阻隨著它能支持的電壓呈指數(shù)上升（Rdr∝ V^2.28）.
因此，通過(guò)更好地保護(hù)柵極，第4代器件需要的降額更少。我們測(cè)量的擊穿電壓為1000 V，比第3代降低了20%以上，因此漂移區(qū)電阻可能降低了40%以上。這似乎在TechInsights提供的剖面圖中得到證實(shí)，新器件具有類似的漂移區(qū)寬度，盡管圖7所示的深溝槽使其進(jìn)一步變薄。此外，我們預(yù)計(jì)漂移區(qū)的摻雜將增加，從而進(jìn)一步降低電阻。
有效的柵極氧化物保護(hù)也能提高可靠性。具體而言，這將解釋為何羅姆建議的柵極氧化層短路耐受時(shí)間從最小值4.5 μs增加到5.5 μs。在短路故障期間，支持最高電場(chǎng)的器件區(qū)域通常會(huì)達(dá)到最高溫度。如果該位置離柵極更遠(yuǎn)，則柵極燒壞的時(shí)間將隨之增加。
另一個(gè)巧妙的技巧：是時(shí)候往碳化硅超結(jié)結(jié)構(gòu)前進(jìn)？
學(xué)術(shù)界對(duì)碳化硅超結(jié)結(jié)構(gòu)的探討已持續(xù)了十年或更長(zhǎng)時(shí)間，最近一次由我的研究小組提出。我們利用7 μm深的溝槽，并在其側(cè)壁上注入P，從而提出了一種1700 V碳化硅超結(jié)器件。
羅姆的器件不是超結(jié)結(jié)構(gòu)器件，它們的p型內(nèi)襯溝槽只占我們提出的器件的一小部分，但我們懷疑超結(jié)結(jié)構(gòu)原理能在柵極溝槽下方的區(qū)域起作用。畢竟擠壓在兩個(gè)P柱之間的狹窄的n摻雜區(qū)會(huì)顯著增加器件的JFET電阻。但我們懷疑該區(qū)域中的n型摻雜區(qū)將高于漂移區(qū)，利用超結(jié)結(jié)構(gòu)的電荷平衡原理（下次講解）在不破壞電場(chǎng)阻斷能力的情況下增加摻雜。
要點(diǎn)和結(jié)論
公平地說(shuō)，這個(gè)設(shè)計(jì)讓我們感到非常興奮；它似乎是一種發(fā)揮碳化硅潛力的溝槽式碳化硅設(shè)計(jì)。根據(jù)該設(shè)計(jì)，我們得知羅姆已經(jīng)找到了一種方法，利用其深溝槽設(shè)計(jì)來(lái)同時(shí)：
?將單元間距減少三倍，顯著降低了溝道電阻；
?保護(hù)柵極氧化物，提高可靠性，減少漂移區(qū)降額，從而降低其電阻；
?大幅降低襯底電阻；
?引入JFET區(qū)（負(fù)面影響），但可能通過(guò)超結(jié)結(jié)構(gòu)/電荷平衡原理降低其影響。
雖然目前只有英飛凌和羅姆的溝槽器件可用，但博世（Bosch）緊隨其后，而且其他集成器件制造商也可能效仿，以獲取潛在的產(chǎn)量和成本優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)的實(shí)效將通過(guò)普及率得到驗(yàn)證。我們或許可以期待更多的電動(dòng)汽車原始設(shè)備制造商和一級(jí)供應(yīng)商在其車載充電器中采用該技術(shù)，甚至可能在以平面器件為主的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器中采用該技術(shù)。
Peter Gammon教授在碳化硅電力電子器件的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試方面擁有15年的工作經(jīng)驗(yàn)。他不僅是PGC的創(chuàng)始人，還是華威大學(xué)的電力電子器件專業(yè)教授。他領(lǐng)導(dǎo)了額定電壓從1200 V到15 kV不等的定制功率器件（絕緣柵雙極型晶體管、金氧半場(chǎng)效晶體管和二極管）研發(fā)項(xiàng)目，涉及電動(dòng)汽車、航天、工業(yè)機(jī)械和電網(wǎng)。他已發(fā)表了80多篇論文和3項(xiàng)專利，其工作成果已廣泛應(yīng)用于整個(gè)碳化硅行業(yè)。
TechInsights以支持促進(jìn)創(chuàng)新的公平市場(chǎng)為榮，該市場(chǎng)能創(chuàng)造電子知識(shí)產(chǎn)權(quán)并實(shí)現(xiàn)貨幣化，以推動(dòng)現(xiàn)實(shí)世界發(fā)展。我們致力于引領(lǐng)全球微電子逆向工程，并打造半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)容平臺(tái)。
Stephen Russell博士在寬禁帶（WBG）器件制造和表征方面有超過(guò)15年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。他于2013年獲得格拉斯哥大學(xué)電子工程博士學(xué)位，專業(yè)研究金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管，之后前往華威大學(xué)研發(fā)3.3 kV和10 kV碳化硅器件。他憑借論文《碳化硅功率金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管的高溫電老化和熱老化性能及應(yīng)用注意事項(xiàng)》贏得《電氣與電子工程師協(xié)會(huì)匯刊電力電子學(xué)卷》2018年最佳論文獎(jiǎng)。自2018年進(jìn)入業(yè)界以來(lái)，他領(lǐng)導(dǎo)了新型硅絕緣柵雙極型晶體管產(chǎn)品線研發(fā)，并發(fā)起了一個(gè)在電路保護(hù)應(yīng)用中使用碳化硅JFET的研發(fā)項(xiàng)目。他于2020年加入TechInsights并成為功率半導(dǎo)體器件的學(xué)科專家，同時(shí)持續(xù)了解整個(gè)行業(yè)的最新發(fā)展。
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