九峰山实验室全面布局SiC沟槽器件能力

为了解决SBD反向漏电流较大的问题，ROHM在2016年发布了沟槽型JBS，通过刻蚀沟槽后再离子注入，得到了更深的P型掩蔽区，使得器件的反向漏电流进一步降低，但同时也在导通时带来了更加严重的JFET效应。

（图2 SiC多级沟槽JBS结构示意图及电场仿真：（a）多级沟槽JBS结构示意图；（b）多级沟槽JBS反向承压电场的TCAD仿真结果；（c）多级沟槽JBS与传统JBS表面电场分布的对比）

为了有效缓解SBD反向漏电流（深P掩蔽）与正向导通电阻（P区JFET电阻）之间的矛盾，九峰山实验室在2021年设计了SiC多级沟槽JBS/MPS[3]。如图2（a）所示，通过在金属/半导体接触界面设计多级台阶沟槽，可以使得P型离子沿沟槽方向注入更深，构造更好的电场屏蔽。为了实现上述设计，九峰山实验室经过长期的工艺探索，成功刻蚀出SiC多级沟槽结构，并开发出SiC多级沟槽JBS原型器件，实现了产品级技术的战略储备。如图3所示，该1200V/20A多级沟槽JBS器件与相同工艺制备的平面JBS器件相比，反向漏电流降低了2个数量级，击穿电压增加了约200V，同时正向导通电阻没有明显增加。多级沟槽JBS器件在常温下施加1200V反向电压时的反向漏电流低于60nA，在175℃及以上的高温环境下漏电流也仅为μA级别，非常适合应用于电动汽车或高温恶劣环境的工控系统的功率模块。

（图3 SiC多级沟槽JBS流片及电性测试结果：（a）多级沟槽JBS芯片的光学显微镜观测图；（b）芯片的SEM切片分析结果；多级沟槽JBS与传统JBS的（c）反向特性I-V曲线对比；（d）正向特性I-V曲线对比）

如图4所示，为九峰山实验室的“胶囊沟槽”结构。该方案在栅极沟槽的两侧设计了P+掩蔽结构，并且通过二次外延的方法在n-漂移层中形成P+埋层来达到电场屏蔽的效果，同时在栅极沟槽底部设计p-shield来进一步保护沟槽底部及拐角位置的栅氧，p-shield通过周期性的与P+埋层连接来实现接地效果，通过向栅极沟槽下方的P+埋层注入n型离子形成N-Enrich区域的方式来形成导电通路。

（图5 SiC“胶囊”沟槽MOSFET DEMO晶圆及器件SEM结构）

如图6所示，为九峰山实验室的“包角沟槽”结构。该方案通过构造比栅极沟槽更深的P阱区，使P阱区包住槽角，通过沟槽底部的两条柱状N型离子注入区形成导电通道。导电通道在沿沟槽方向是间断排布的，使得导电通道中间的P型区域可以通过与P阱区互联从而接地。当器件工作在反向阻断状态时，沟槽下方的N型导电通道区和P阱之间会相互耗尽、达到半超结效果，在提高器件击穿电压的同时也可以降低器件的导通电阻。P阱区可以通过二次外延形成，避免了对产能影响严重的SiC高温高能Al离子注入工艺，整体方案在提升SiC沟槽MOSFET性能的同时，还兼顾对fab厂制备产能的提升。

（图6 SiC“包角”沟槽MOSFET结构示意图）

如图7所示，为九峰山实验室的“半包沟槽”结构。采用Infineon的“半包沟槽”结构会造成沟槽MOSFET只能通过一侧沟道来导电，另一侧被用来构造P+屏蔽层从而牺牲了导电沟道。九峰山实验室的双侧导通“半包沟槽”结构采用一侧构造辅助源极沟槽，使得栅极沟槽两侧的沟道都可以进行电子的输运，构造更好的双侧导通能力的“半包沟槽”MOSFET。P+掩埋层通过辅助源极沟槽接地，在空间上呈周期性分布，当栅极沟槽底部没有P+掩埋层时栅极两侧沟道都可以导通。同时，可以在辅助源极沟槽的侧壁集成肖特基二极管，底部形成欧姆接触，形成更好的续流特性。