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對(duì)四種SiC MOSFET的元胞布局（條形、彎曲條形、正方形和六角形）的單脈沖雪崩能量進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行仿真，分析其雪崩能量主要集中于器件哪一個(gè)位置，并在此基礎(chǔ)上分析比較四種結(jié)構(gòu)的雪崩能量的分布差異。

元胞布局與UIS測(cè)試介紹

器件的雪崩能力是衡量SiC MOSFET可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)。通常采用非箝位電感開關(guān)（Unclamped Inductive Switch，UIS）測(cè)試器件的雪崩能力。

在過往的研究中表明，當(dāng)UIS測(cè)試中Source pad的溫度超過熔點(diǎn)即會(huì)發(fā)生UIS失效，而SiC MOSFET的雪崩可靠性與其內(nèi)部元胞結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)。而且過往的研究還對(duì)非對(duì)稱溝槽和雙溝槽的SiC MOSFET的UIS特性，非對(duì)稱溝槽結(jié)構(gòu)的失效是因?yàn)榻饘賹拥臒崾Вp溝槽的失效則是因?yàn)闁叛醯母唠妶?chǎng)強(qiáng)度。除此之外，本文對(duì)不同元胞布局對(duì)UIS特性的影響。

目前商用市場(chǎng)上主要的SiC MOSFET的元胞形狀主要是條形、正方形、六角，其中條形又分為普通條形和彎曲條形。普通條形的Poly柵極并不像正方形和六角在有源區(qū)內(nèi)部就相連，而是在芯片邊緣相連，繼而通過bus連接到 Gate Pad。這會(huì)導(dǎo)致柵電流傳輸不均勻，且芯片中間位置的元胞溝道延遲開啟，影響器件開關(guān)特性。而彎曲條形通過相鄰柵極之間的交替連接改善了柵極電流的均勻傳輸優(yōu)化了開關(guān)特性。

下圖展示了上午A-A'元胞截面結(jié)構(gòu)圖和SiC MOSFET自對(duì)準(zhǔn)制造工藝流程：選用了外延層厚度11um，濃度為8e15/cm3的外延片襯底。首先通過離子注入形成Pwell和Pplus，采用自對(duì)準(zhǔn)工藝在多晶硅上生長(zhǎng)0.5um厚的Spacer，然后進(jìn)行Nplus源極離子注入，隨后在有源區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行JFET注入，隨后沉積一層C膜保護(hù)，將之前離子注入在1700℃下退火30min激活。再生長(zhǎng)50nm柵氧，并在其上沉積并蝕刻Poly柵，柵源之間形成0.9um的ILD。然后沉積Al層并蝕刻完成Source CT和Gate 的金屬化，最后完成芯片背部的漏極金屬化。）

下圖是成品晶圓圖片和單管封裝厚的圖片。而條形、六角和方形元胞的Ron,sp也如下展示，方形和六角元胞具有相似的Ron,sp，并且明顯低于條形元胞。這主要是因?yàn)榉叫魏土窃哂邢嗤臏系烂芏?，都比條形元胞的溝道密度高。特別是當(dāng)JFET寬度小于1.6um時(shí)，器件Ron,sp隨JFET寬度增加而減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)镴FET較小時(shí)，通過增加JFET寬度而帶來的JFET電阻的減小比元胞間距的增加更占優(yōu)。但是當(dāng)JFET寬度大于1.6um時(shí)，方形和六角元胞的Ron,sp不再增加，因?yàn)橐騄FET增加而導(dǎo)致的元胞面積的增加逐漸超過了JFET電阻減小的影響了。

下圖是UIS測(cè)試電路，被測(cè)器件DUT與電感串聯(lián)，電容與高壓源VDD并聯(lián)。圖b顯示了UIS測(cè)試過程，分成了4個(gè)階段：

階段A，DUT不導(dǎo)通，VDS保持高壓源VDD不變；

階段B，柵極驅(qū)動(dòng)電壓VGS切換到高電平，DUT進(jìn)入了導(dǎo)通狀態(tài)，VDS下降的到0，漏電電流ID逐漸上升到所需的雪崩電流值IAV，IAV可以通過改變VGS的脈沖時(shí)間來調(diào)節(jié)；

階段C，VGS切換到負(fù)壓，DUT關(guān)斷，進(jìn)入雪崩工作模式，VDS迅速上升到擊穿電壓VBR，因電感的存在，雪崩電流下降緩慢，并且儲(chǔ)存在電感中的能量通過DUT緩慢釋放。儲(chǔ)存的能量在雪崩過程中通過熱量的形式釋放，這會(huì)在器件內(nèi)部形成瞬時(shí)高溫。階段C中，DUT工作在高電壓和大電流下，DUT單脈沖雪崩能量EAS由階段C的雪崩電壓和雪崩電流積分得到：

EAS較小時(shí)，IAV下降到0，DUT正常關(guān)斷；但當(dāng)EAS較大時(shí)，EAS產(chǎn)生的高溫超過了DUT的耐受極限，IAV就會(huì)先下降再迅速上升，造成不可逆的雪崩失效。為了對(duì)比不同元胞形狀的UIS，用EAS與有源區(qū)面積之比Eava作為比較值。

結(jié)果與討論

下圖展示了其中元胞形狀的器件在相同的測(cè)試條件下進(jìn)行UIS測(cè)試。結(jié)果顯示，條形和彎曲條形的Eava明顯大于方形和六角元胞。而且，方形元胞和六角元胞的Ron,sp低于條形元胞器件的Ron,sp，盡管如此，條形元胞的雪崩可靠性仍是高于方形元胞和六角元胞的。

通過對(duì)四種元胞失效模塊點(diǎn)測(cè)發(fā)現(xiàn)失效器件均呈三通狀態(tài)。通過對(duì)失效模塊塑封拆封發(fā)現(xiàn)，均可以觀察到明顯的燒毀點(diǎn)，這表明了器件失效是由熱失效而不是柵氧擊穿引起的。條形元胞器件的燒毀點(diǎn)靠近gate pad，而方形元胞和六角元胞的熱失效點(diǎn)更靠近芯片角落。這里似乎彰顯了雪崩燒點(diǎn)與元胞布局相關(guān)：方形元胞和六角元胞的元胞尺寸相較于條形元胞更小，所以方形元胞和六角元胞在相同有源區(qū)面積內(nèi)，在芯片拐角處具有更高的元胞密度；雪崩能量在有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生并傳遞，終端區(qū)域和gate pad不產(chǎn)生熱量，器件進(jìn)入雪崩狀態(tài)后，芯片拐角處溫度迅速上升，與芯片邊緣存在較大溫差，導(dǎo)致熱燒毀。而條形元胞在gate pad區(qū)域因存在許多gate bus條，器件進(jìn)入雪崩后，gate pad周圍有源區(qū)溫度迅速上升，與gate pad形成了較大溫差，發(fā)生熱燒毀。

為了進(jìn)一步分析，利用TCAD對(duì)元胞進(jìn)行仿真，其尺寸和摻雜分布盡量與真實(shí)器件保持一致。

器件仿真電路如前文所述，圖b展示了器件雪崩模式1us后的電場(chǎng)分布，除了柵氧中心電場(chǎng)較高外，高電場(chǎng)主要集中的Pwell拐角。在雪崩過程種，器件的最高溫度達(dá)到了1106K，超過了金屬Al的熔點(diǎn)，導(dǎo)致了器件熱燒毀失效。

雪崩擊穿強(qiáng)度一般在于碰撞電離和雪崩電流密度進(jìn)行表征，器件在雪崩狀態(tài)下的碰撞電離和雪崩電流密度如下圖示。高碰撞電離和高雪崩電流密度都集中在了Pwell拐角附近。

為了更清晰的展示雪崩狀態(tài)下器件溫度變化過程，下圖展示了器件在雪崩1us后的溫度分布。在雪崩狀態(tài)下，器件首先在Pwell拐角處開始發(fā)熱，雖然在JFET區(qū)域也存在雪崩電流，但是其碰撞電離和雪崩電流密度明顯低于Pwell拐角處。

所以基于電場(chǎng)分布、碰撞電離分布、雪崩電流分布以及雪崩狀態(tài)下溫度分布，可以得到一個(gè)結(jié)論：SiC MOSFET在UIS測(cè)試下的雪崩能量主要集中在Pwell拐角處。

下圖是元胞上具有Au的雪崩能量集中區(qū)域，條形、方形與六角元胞的雪崩集中區(qū)域所占面積比例為28.7%、44.2%和36.8%，其雪崩能量與元胞雪崩能量集中區(qū)域所占比例呈反比，雪崩能量集中區(qū)域比例越大，相應(yīng)UIS能量密度越低。

總結(jié)

通過同樣的工藝制作的四種元胞形狀的SiC MOSFET，在相同的測(cè)試條件下進(jìn)行UIS特性測(cè)試。結(jié)果表明，條形元胞的單脈沖雪崩能量密度是正方形元胞的1.69倍，六角元胞的1.49倍。

并且利用TCAD仿真確定了雪崩能量主要集中于Pwell拐角處，由此分析比較了條形、彎曲條形、正方形和六角元胞的雪崩能量分布差異，表明了雪崩能量密度與雪崩能量集中區(qū)域的比例呈反比，由此證明了條形元胞的UIS大于正方形和六角元胞。