文章来源：固体电子学研究与进展
作者：田源黄润华倪朝辉刘涛张国斌杨勇柏松（南京电子器件研究所）
摘要:为解决SiCMOSFET在高温条件下性能受硅基驱动电路限制的问题，设计制造了一款基于4H-SiC材料的驱动电路，用于改善电路整体的耐高温能力，并且分别在常温（25℃）和高温（300℃）条件下对驱动电路的性能进行了测试。常温下驱动电路在无负载条件下的上升沿延迟和下降沿延迟分别为2.496μs和1.32μs，高温下两者分别为1.61μs和0.816μs。在输出功率为100W、输出电压为56V、母线电压为320V的条件下对驱动电路进行带负载测试，常温下驱动电流的充电电流峰值为129mA，放电电流峰值为120mA；高温下驱动电流的充电电流峰值为264mA，放电电流峰值为221mA。测试结果表明，该驱动电路可在环境温度为300℃时正常工作，且随着环境温度在25～300℃范围内逐渐上升，该驱动电路的驱动能力以及响应速度逐渐提升。
引言
碳化硅（Siliconcarbide,SiC）器件与硅基器件相比，具有更优秀的耐高温能力，故在高温应用环境下碳化硅器件通常会有更好的表现。但目前SiC功率器件的驱动电路大多由硅基器件组成，该使用方式的缺点主要有：（1）硅基器件的耐高温能力较差，通常无法在环境温度为300℃的条件下工作，这使得与之相连的SiC功率器件无法发挥出耐高温的优势;(2）硅基控制电路与SiC功率器件的衬底外延材料不同，导致电路整体无法实现片上集成，这会导致控制信号衰减、寄生效应明显等问题，从而影响了整体电路的性能。与之相比，SiC驱动电路可以与SiC功率器件集成在同一个衬底上，不仅能降低电路整体的散热成本、节省空间，还能有效提高系统的可靠性和稳定性，可以充分发挥SiC器件的高温性能。
近年来，国内外研究人员在SiC集成电路领域做出了诸多尝试。SundarBabuIsukapati等人实现了高压功率金属氧化物半导体场效应晶体管 （Metal⁃oxide⁃semiconductorfield⁃effecttransistor,MOSFET）和低压互补金属氧化物半导体（Comple⁃mentarymetal⁃oxide⁃semiconductor,CMOS）器件的单片集成。TianshiLiu等人提出一种用于SiC功率集成电路技术的SPICE模型，并用该模型对SiCCMOS逆变器和SiC环形振荡器进行了仿真。上述研究成果局限于仿真或者简单器件的集成，没有体现出SiC器件在高温应用环境下的优势。
针对上述问题，本文在现有的SiC工艺基础上，对注入等工艺进行调整，设计整合了适用于高温SiC驱动电路的工艺流程。工艺流程的优化主要针对SiC横向N型金属氧化物半导体（N⁃metal⁃oxide⁃semiconductor,NMOS）晶体管与P型金属氧化物半导体（P⁃metal⁃oxide⁃semiconductor,PMOS）的性能匹配问题，从NMOS和PMOS两种晶体管出发，通过有限元仿真初步确定了注入等工艺的相关参数。基于仿真确定的工艺条件完善工艺流程后，在4H⁃SiC外延片上完成了驱动电路的设计与流片，并对该驱动电路进行了常温（25℃）以及高温（300℃）下的性能测试。
1、器件设计
本文设计的驱动电路基于SiC横向MOS器件，主要由CMOS器件组成。CMOS器件由NMOS晶体管与PMOS晶体管组成，NMOS和PMOS晶体管的性能匹配是实现并优化CMOS器件性能的关键。
由于SiC材料的特性，SiCCMOS的整体性能通常受限于PMOS晶体管的性能，这主要体现在两个方面：其一，常用的4H⁃SiC材料中，电子迁移率为1000cm2·V-1s-1，而空穴迁移率仅有120cm2·V-1s-1，因此与NMOS晶体管相比，PMOS晶体管输出电流的能力较弱，限制了CMOS器件的电流输出能力；其二，SiCMOS器件的沟道界面大多为SiC/SiO2界面，而SiC/SiO2界面态密度较大。由于该界面电荷的影响[7],SiCPMOS晶体管阈值电压（Vth）的绝对值VTH（即VTH=|Vth|）普遍不低于7V，与之相比，SiCNMOS晶体管的VTH通常在3V左右[8⁃10]。而在栅源电压VGS不变的情况下，随着PMOS晶体管的VTH增大，导通时过驱动电压绝对值|VGS-VTH|减小，PMOS晶体管导通电流随之减小，即输入低压信号时CMOS电路的输出电流减小。考虑到上述两点，在确定掺杂浓度等参数时，本文选择尽可能降低PMOS晶体管沟道的掺杂浓度，尤其是靠近沟道界面部分的掺杂浓度，从而减小PMOS器件的VTH，提高沟道处载流子迁移率，增大导通电流。
同时考虑到NMOS与PMOS的性能匹配，NMOS晶体管的沟道掺杂浓度也应做相应调整。NMOS晶体管沟道的掺杂浓度主要影响器件的VTH和输出电流能力。从VTH方面考虑，应当适当提高NMOS晶体管沟道的掺杂浓度，从而增大NMOS晶体管的VTH，使NMOS与PMOS晶体管的VTH尽可能接近，同时避免高温条件下NMOS的VTH减小对NMOS晶体管的阻断能力产生影响。从NMOS的输出能力方面考虑，提高沟道处的掺杂浓度会使沟道有效迁移率下降，进而导致NMOS晶体管输出电流能力变弱。综合考虑上述两方面，应有限度地提高NMOS晶体管的沟道掺杂浓度，尽可能平衡NMOS与PMOS晶体管的性能匹配需求以及CMOS器件的输出性能需求。
本文设计的CMOS器件剖面示意图如图1所示。该剖面结构从下到上可分为以下部分：N+型衬底、N-型外延、P阱、N+/P+区、氧化层、多晶硅栅极、漏/源电极、中间层介质（Interlayerdielectric,ILD）、金属层间介质（Intermetaldielectric,IMD）、位于ILD和IMD中间的金属层M1和位于IMD层表面的金属层M2。其中PMOS器件位于N-外延上，NMOS器件位于P阱中，通过P阱与PMOS进行隔离。金属层M1、M2用于实现各器件电极之间的相互连接，ILD和IMD则用于实现电极与金属层以及金属层之间的隔离。
采用Silvaco软件，对该SiCCMOS器件进行结构和工艺仿真，确定器件各区域的尺寸以及注入等工艺的参数。定义漏源电压VDS=0.1V、漏极电流ID=0.2μA时的栅源电压为器件的阈值电压Vth。仿真得到的NMOS器件与PMOS器件在常温以及300℃下的转移特性如图2所示。由图可知，常温条件下NMOS器件的Vth为4.8V,PMOS器件的Vth为-6.8V；环境温度为300℃时NMOS器件和PMOS器件均可正常工作，NMOS器件的Vth为3.9V,PMOS器件的Vth为-6.0V。
驱动电路的整体设计结构采用四级CMOS串联，组成了四级推挽结构，综合考虑驱动电路的响应速度以及带负载能力，本文驱动电路中从输入端到输出端四级的总栅长比例为1∶4∶16∶750。其中前三级栅长较小且为等比放大，目的是确保前三级电路的快速响应；最后一级电路的栅长较大，目的是确保驱动电路的驱动电流可满足功率管的需求。
2、工艺设计
设计的驱动电路采用152.4mm(6英寸）SiC外延片，晶圆的衬底为n+型4H⁃SiC，晶面为（0001）晶向（硅面）偏轴4°面，主要工艺流程如图3所示。工艺流程主要包括以下步骤：在掺杂浓度为3×1015cm-3、外延厚度为10μm的条件下，生长出N-漂移外延层；随后经过P阱注入、N+注入、P+注入依次形成了P阱、N+区和P+区，其中传统P阱注入通常采用3次注入的方式，本文中采用6次注入的方式，最大注入能量为600eV，注入深度约为0.8μm，注入后P阱区域掺杂浓度峰值可达1018cm-3,N+区和P+区深度约为0.2μm；之后在Ar中1650℃下进行30min激活处理，而后通过1200℃下的干氧氧化以及NO中退火，在外延表面形成了栅极氧化层，氧化层厚度约为50nm；通过多晶硅生长、注入和刻蚀工艺制成栅极；经过氧化层生长刻蚀形成ILD层，采用金属镍蒸发剥离工艺形成栅电极；采用金属铝蒸发剥离工艺形成金属布线层M1，布线金属之间通过氧化层生长刻蚀形成的IMD层进行隔离，而后采用金属铝蒸发剥离工艺形成金属布线层M2。
3、测试与分析
完成流片后所得的驱动电路显微镜照片如图4中黑框标注部分所示。
3.1晶体管性能测试
对与驱动电路相同工艺流片制作的沟道长度2μm、栅长40μm的NMOS和PMOS晶体管进行电性能测试。
NMOS和PMOS晶体管在不同环境温度下的Vth如图5所示，由图可见，NMOS和PMOS晶体管的Vth的绝对值VTH随着环境温度在25～300℃范围内的上升而减小，且在环境温度为300℃的条件下NMOS和PMOS晶体管的VTH均大于2V，确保了两者在300℃的条件下的阻断能力。VTH的测试结果与仿真结果之间的差异则源自仿真模型误差以及工艺波动。
为研究NMOS与PMOS晶体管在驱动电路中的输出能力，在VDS=18V、VGS=18V的条件下对NMOS晶体管在不同环境温度下的漏极电流进行测试，在VDS=-18V、VGS=-18V的条件下对PMOS晶体管在不同环境温度下的漏极电流进行测试，测试结果如图6所示。由图可知，随着环境温度在25～300℃范围内的逐渐上升，NMOS与PMOS晶体管的输出电流随之逐渐增大。环境温度小于300℃时，PMOS晶体管的输出电流比NMOS晶体管的大；环境温度等于300℃时，PMOS晶体管的输出电流与NMOS晶体管的相近，这说明环境温度小于300℃时PMOS器件的导通电阻比NMOS器件的小。
驱动电路所使用的NMOS与PMOS器件常温下的阈值电压以及输出电流并未实现完全匹配。在工作电压为18V时，常温下NMOS与PMOS的阈值电压应调试为9V左右，输出电流也应当相近。但本文中进行结构以及工艺设计时考虑到器件在300℃下的阻断能力以及输出能力，所以未将NMOS与PMOS器件的阈值电压等参数调整到完全匹配。
3.2、驱动电路性能测试
在工作电压为18V，输入信号为0～18V、1kHz的矩形波的条件下，对驱动电路进行无负载情况下的输入输出信号测试。在常温条件下其输入输出波形及其上升、下降沿如图7所示，其中蓝色波形为输入信号波形，绿色波形为输出信号波形。由图可知该驱动电路的输入输出波形基本相同，故该驱动电路的四级推挽结构的逻辑功能正常。
在不同环境温度下重复上述测试，测量并记录驱动电路输入输出波形之间的上升沿和下降沿延时，测试结果如图8所示。由图可知，随着环境温度在25～300℃范围内的逐渐上升，驱动电路输入输出波形之间的上升沿和下降沿延时都表现出逐渐减小的趋势，这一现象表明在25～300℃范围内该驱动电路的响应速度随环境温度的上升逐渐变快。同时还可以看到，各环境温度下输入输出波形之间的上升沿延时均比下降沿延时长，这说明驱动电路中PMOS器件的响应速度比NMOS器件的慢。
为测试该驱动电路的带负载工作能力，本文设计了buck同步整流电路用于测试。该测试电路中，本文设计的驱动电路为SiC功率MOSFET提供栅压，控制其开关，该SiC功率MOSFET则与功率模块相连。控制整体电路输出功率为100W、母线电压320V、输出电压为55V不变，在驱动电路工作电压为18V，输入信号为0～18V、8kHz矩形波的条件下，对驱动电路在不同环境温度下的驱动电流峰值进行测试，测试结果如图9所示。由图可见，随着环境温度在25～300℃范围内的逐渐上升，驱动电路的输出电流峰值表现出逐渐增大的趋势，这表明在25～300℃范围内，该驱动电路的驱动能力随环境温度的上升逐渐增强。同时通过图9还可以看到，各环境温度下，充电电流峰值比放电电流峰值大。这是由于该驱动电路中决定输出电流大小的主要结构是第四级推挽结构，即总栅长最长的CMOS结构。输出电流为充电电流时，第四级CMOS结构中的PMOS导通；输出电流为放电电流时，第四级CMOS结构中的NMOS导通，两者导通时漏源电压绝对值均为18V，所以充电电流峰值比放电电流峰值大可以说明驱动电路中PMOS器件的导通电阻比NMOS器件的小，与前文中对NMOS和PMOS晶体管的测试分析结果相近。
综合得到，环境温度在25～300℃范围内，随着环境温度的上升，该驱动电路的驱动能力以及响应速度逐渐提升；随着温度逐渐接近300℃，驱动电路的驱动能力以及响应速度的提升幅度表现出了减小的趋势。该现象源自SiC的材料性质。徐静平等人的研究表明，随着温度的升高，4H⁃SiCNMOS的场效应迁移率不断增大，在350℃左右达到最大值；温度继续升高，则场效应迁移率随之减小。与之类似，4H⁃SiCPMOS的场效应迁移率在0～300℃范围内随温度上升而增大，温度高于300℃后则随着温度的升高而降低。于是，基于CMOS器件的SiC驱动电路的驱动能力以及响应速度在0～300℃范围内随温度上升而提升，在环境温度趋近于300℃时随温度上升的提升速度逐渐减小，与测试结果相符。
4、结论
本文基于4H⁃SiC材料，设计了一款可耐高温的SiC驱动电路，优化了离子注入等工艺后，进行了流片制备，并对该驱动电路进行了常温和高温性能测试。测试结果表明，该驱动电路可在环境温度为300℃的条件下正常工作；当环境温度位于25～300℃的范围内时，该驱动电路的驱动电流随着环境温度的提升而逐渐增大，空载下的输入输出延时随着环境温度的提升而逐渐变短，且驱动电流和输入输出延时的变化幅度随着环境温度的提升逐渐变小。
该驱动电路能在300℃下正常工作，与高温SiC功率器件匹配，可充分发挥SiC功率器件的耐高温特性。但该驱动电路的输出电流峰值仅为毫安级，延时达到了微秒级，与现有的硅基驱动电路有较大差距。以TexasInstruments的产品UCC21520隔离式双通道栅极驱动器为例，该驱动的工作温度最高为125℃，典型传播延迟为19ns，具有4A峰值拉电流和6A峰值灌电流，即输出正向电流峰值可达4A，反向电流峰值可达6A。后续研究可通过调整各级CMOS的栅长、在NMOS与PMOS结构中使用不同厚度的栅氧等方式来对驱动电路的性能进行优化。将驱动电路与功率器件集成然后进行整体的性能优化，即实现全集成，也是未来的研究方向之一。
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