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2020年03月02日 | 比亚迪改良了SiC MOSFET制备方法
2020-03-02 来源：爱集微
前不久比亚迪公司宣布投入巨资布局第三代半导体材料SiC（碳化硅），并整合材料、单晶、外延、芯片、封装等SiC基半导体产业链，致力于降低SiC器件的制造成本，加快其在电动车领域的应用。目前比亚迪公司已成功研发了SiC MOSFET，并期望之后应用于旗下的电动车中，实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代，将整车性能在现有基础上提升10%。
在电子领域，MOSFET（场效应晶体管）作为功率开关广泛应用于开关电源、放大器等电子设备中，同时也是硬件设备发热和功率损耗的一大来源。随着新式材料SiC的出现，由于其击穿场强约为Si的10倍，同时具有高热导率、抗辐射等优点，因此可广泛应用于大功率，高温高频半导体器件如MOSFET中。当MOSFET应用SiC材料后，其开关损耗可大幅降低，适用于更高的工作频率，并大大增强高温稳定性，另一方面由于器件本身沟道密度低的特性，可以有效减小器件面积，增加芯片的集成度。然而基于沟槽型SiC的MOSFET普遍存在反型层迁移率低以及栅极氧化层使用寿命短的问题，一定程度限制了SiC的大规模使用。
针对这一缺陷，比亚迪公司早在2017年8月25日就提出一项名为“MOSFET及制备方法、电子设备、车辆”的发明专利（申请号：201710743941.8），申请人为比亚迪股份有限公司。
此专利提出一种基于SiC形成的MOSFET及其制备方法，并应用于电子设备和车辆中，可增加了该电子设备的反应速度以及使用寿命，并提升车辆的使用性能。
图1 MOSFET结构示意图
此专利提出的MOSFET结构如图1所示，包括衬底100、漂移层200、栅极氧化层300、栅极10、源极区400、接触区500、阱区600以及漏极20。其中，漂移层200设置在衬底100的上方；漂移层200中设置有栅槽，栅极氧化层300设置在栅槽的底面以及侧壁上，栅极10填充于栅槽中，且位于栅极氧化层300远离漂移层200的一侧；源极区400以及接触区500设置在漂移层200的顶部，并位于栅槽的一侧，源极区400靠近栅槽设置；阱区600设置在漂移层200中，且位于源极区400以及接触区500的下方；漏极20设置在衬底100的下方。由此结构进行分析，可以提高器件沟道迁移率，减小栅极氧化层的电场。
由于基于SiC的MOSFET中栅极氧化层/SiC界面存在大量界面陷阱，导致栅极氧化层与SiC界面之间有电流传导，造成反型层迁移率低。此外，基于SiC的MOSFET的击穿场强比基于Si的MOSFET的大十倍左右，所以在对器件施加大电压时，对栅极氧化层施加的电场强度也将更大，因此，新式MOSFET开启较慢且沟道迁移率较低，从而使得器件反型层迁移率较低。而当MOSFET关断时，栅极10和漏极20之间会产生高的电压差，并导致栅极氧化层300被破坏，进而影响器件的性能和使用寿命。
在本发明中，以p型MOSFET为例，令阱区的一部分设置在栅槽的下方，从而可以将原本位于栅极氧化层以及漂移区之间的电场，转移至阱区以及漂移区之间形成的PN结的界面处，进而可以降低栅极氧化层附近的电场强度，防止栅极氧化层被击穿。同时，采用倾斜离子注入的方法，可以在栅槽的侧壁两侧、底部同时形成分隔的阱区，使得栅槽以及阱区之间保留有部分n型沟道区，由此形成了沟道电子的积累层，提高了沟道迁移率。
MOSFET的制备方法如图2所示。首先在衬底上通过外延生长形成漂移层，并在漂移层中通过刻蚀工艺设置栅槽，然后在漂移层中以倾斜离子注入的方式形成阱区，并在漂移层顶部设置源极区以及接触区，紧接着在栅槽的底面以及侧壁上形成栅极氧化层，最后在栅槽中设置栅极，在衬底下方设置漏极，形成最终的MOSFET器件。
随着汽车日渐走向智能化、联网化与电动化的趋势，加上5G商用在即，SiC功率半导体市场的商业产值逐渐增加，但也面临着诸多技术上的挑战。比亚迪公司深耕汽车电子领域中，并不断实现技术创新，在此项专利中提出了SiC MOSFET制备方法，增加了该电子设备的反应速度以及使用寿命，同时应用于旗下电动车，提升车辆使用性能。
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