工艺改进对碳化硅MOS 产品可靠性的提升作用探讨

引言

电力电子技术朝着高效、高功率密度以及小型化方向发展时，第三代半导体碳化硅（SiC）凭借宽禁带等特性，在新能源汽车等方面具有巨大潜力。由此产生的 SiCMOS 器件，如 SiCMOSFET，在严峻工况下运作，可改善系统效率并减小设备体积。然而 SiCMOS 的可靠性问题阻碍了其普及，与硅基器件相比，其制造工艺复杂，容易产生塑封分层、阈值电压漂移及漏电等情况，因此通过工艺改良来加强可靠性尤为关键。

一、碳化硅MOS 产品可靠性问题分析

1.1 栅氧层对阈值电压的影响研究

栅氧层是 SiCMOS 的关键部分，其品质直接影响到器件的阈值电压稳定性。由于 SiC/Si0₂ 存在晶格失配与化学差异，界面处会产生大量界面态和氧化层陷阱，这会导致阈值电压漂移，严重时漂移量可达1.5V 以上，从而影响器件的开关一致性。同时，这些缺陷还会使栅极漏电流增大，当漏电流超出 10^-6A/cm² 时，器件漏电现象就比较明显，严重时甚至会出现热失控。据研究得知，SiC 栅氧化层缺陷数量多于硅基器件，随着栅极氧化层电场超过 4MV/cm，阈值电压漂移速率会急速提升，加重产品漏电的风险。

1.2 芯片制造工艺对漏电流的影响研究

芯片制造过程中的光刻、刻蚀、掺杂等工艺偏差会造成产品漏电，光刻精度不足导致栅极图形偏移，当栅源间距偏差超过 2μm 时，栅极和源极之间就会出现边缘电场集中现象，从而引起漏源间的漏电；刻蚀工艺造成的表面损伤会形成电子陷阱，当陷阱密度超过10^{1 2}cm^-2 时，载流子的输运就会受到阻碍，导致漏电流增加；掺杂不均匀会导致沟道导通电阻分布不均，局部电流密度过高，容易造成热点，加速器件老化；SiC 材料自身存在的晶体缺陷，如位错、微管等，在偏置电压下也会形成漏电路径，使得器件的反向漏电电流增大，影响其长期可靠性。

1.3 塑封分层相关问题

塑封封装是 SiCMOS 产品可靠性的关键环节，塑封分层会导致器件性能退化。塑封材料与芯片、引线框架的 CTE 不匹配，温度循环时会产生热应力，当应力大于材料结合强度时，就会发生分层。分层会阻碍器件散热，结温升高 5-10^∘C ，氧化层老化加快，引线键合处接触电阻增大，引起局部过热。此外，分层还会形成缝隙，成为湿气渗透通道，高温高湿环境下，水分与金属引线反应，造成腐蚀，漏电电流增大，某测试表明，分层器件在 85^∘C 85%RH 环境存储 1000 小时后，漏电流可达初始值的10 倍以上。

二、工艺改进措施及其对可靠性的提升作用

2.1 栅氧层工艺改进

针对阈值电压漂移和栅极漏电问题，采用氮退火结合高 k 介质堆叠技术可显著改善。氮退火在 950-1100^∘C 下进行，能有效钝化界面态，使界面态密度从 10¹³cm^-2⋅eV^-1 降至 5×10¹¹cm^-2⋅eV^-1 以下，阈值电压漂移量控制在 0.3V 以内。高 k 介质 (Al₂O₃/Hf0₂ ）堆叠结构替代传统Si0₂ ，可将栅氧层等效电场强度降低 30% ，栅极漏电流降至 10^-8A/cm² 以下。某实验数据显示，改进后器件在 150^∘C 高温偏置 1000 小时后，阈值电压漂移仅为0.2V，漏电电流无明显变化，可靠性大幅提升。

2.2 芯片制造工艺优化

依靠先进光刻、掺杂工艺改良，从根本上削减漏电流问题。就光刻工艺而言，采用深紫外光刻技术，将栅极图形偏差牢牢控制在0.5μm 以内，避免边缘电场集中状况，从而给器件稳定运行形成根基。刻蚀流程结束以后，添加氢钝化处理工艺，可以做到表面陷阱密度下降 60% 以上，极大改善表面电学特性。到了离子注入工序时，利用多能量分步掺杂技术，通过精准调控不同能量离子注入的深度与剂量，使得沟道掺杂均匀性到达 90% 以上，而且把导通电阻偏差缩减到5% 以内。这些工艺改进效果明显，芯片漏电流下降一个数量级，某个 650V 器件反向漏电流从 5×10^-5A 大幅降到 3×10^-6A ，器件之间的性能差别明显变小，一致性大幅提升，成品率提高 15% ，生产效益和产品质量明显改善。

2.3 塑封工艺改进

为解决塑封分层问题，采用梯度材料设计和激光封边技术协同优化。梯度塑封材料通过调整硅粉含量，使 CTE 从芯片侧的 3ppm/^∘C 平滑过渡到外壳侧的 ，热应力降低 40% 以上。激光封边技术在塑封体边缘形成 0.5mm 宽的熔融密封带，将水汽渗透率降低至1×10^-6g/Ω(m²⋅day) ，有效阻止湿气入侵。某 1200VSiCMOS 模块经改进后， 温度循环 1000 次后，分层率从 25% 降至 3% 以下，漏电流增长幅度控制在 20% 以内，功率循环寿命提高2 倍。

三、结论

通过对栅氧层、塑封封装及芯片制造工艺的改善，碳化硅 MOS产品在阈值电压稳定，塑封分层控制以及漏电抑制等方面取得了显著成效，其可靠性有了大幅提高，这为碳化硅 MOS 在新能源汽车，智能电网等领域的大规模应用奠定了基础。未来要不断改良工艺精确度，研制新的低应力塑封材料，探寻新的界面工程工艺技术，在保证可靠性的前提下，还要进一步加强器件性能，促使碳化硅 MOS 技术在电力电子领域得到更高效的运用。

参考文献

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[2]曹雅丽.随新能源产业起舞碳化硅战略角色真容初露[N].中国工业报 ,2024-07-08(008).