今天这篇文章来自华为,主要内容是研究正面镀铜SiC MOSFET可靠性
先介绍背景
凭借高临界电场、高热导率等优异的材料特性,SiC MOSFET已成为电动汽车、光伏逆变器等大功率应用的核心器件
这类应用对系统效率与功率密度要求极高,进而对SiC器件及模块的极端工作能力提出愈发严苛的要求,具体包括:
1、200 ℃结温下稳定工作,
2、承受数十万次功率循环,
3、短路耐受时间大于2.0μs,
4、承受数百安培浪涌电流。
从器件结构、材料体系,到封装方案,必须进行全面创新,以突破SiC MOSFET的电性能、可靠性瓶颈。
现阶段商用SiC MOSFET器件正面源极、栅极金属普遍采用Al或Al合金(Al-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu),
但在上述极端工况下,Al正面金属存在如下缺陷:
1、铝的电阻率较高(~2.65 μΩ·cm),限制器件导通电阻进一步降低,
2、铝的熔点较低(~660℃),短路时器件内部局部高温易引发源极金属熔化,这是SiC MOSFET典型短路失效模式,
3、铝的热膨胀系数(~23 ppm/K)与SiC(~4 ppm/K)、钝化层(氮化硅等)存在显著差异,高温或功率循环中易引发电迁移、裂纹和界面分层,导致性能退化甚至器件失效,
该问题在塑封、嵌入式等高功率密度先进封装中尤为突出。
4、铝的热导率较低(~237W/m·K),不利于器件散热,
而铜(Cu)具有更低的电阻率(~1.68 μΩ·cm)、更高的热导率(~400W/m·K),在功率器件中具备良好的应用前景,
采用厚铜技术以提升电流密度在Si IGBT领域已属成熟方案,SiC领域的相关研究尚不多见,
尤其是,针对商用平面栅SiC MOSFET,以电镀铜完全替代铝作为正面源极金属,对器件电性能和可靠性有何影响,目前尚无研究。
本文旨在填补这一空白。

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基于6英寸1200V SiC平面栅MOSFET工艺平台进行实验,对照组与实验组的外延材料采用同一批次,实验方案如上图所示,
对照组:标准工艺流程,正面金属化采用AlCu,
实验组:前道工艺完全相同,以电镀铜替代AlCu,形成正面源极金属,
FEOL是前道工艺,BEOL是后道工艺,

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实验组器件结构如上,黄色区域为Cu,其他区域如常,
简单介绍工艺流程,
1、FEOL(前道):
注入、栅氧等工艺不赘述,多晶硅、欧姆接触工艺亦如常规,
完成欧姆接触后,实验组与对照组分批,进行不同源极金属结构制备,
对照组,源极接触孔内制备钨塞,依次沉积Ti/TiN阻挡层,PVD沉积5 μm厚AlCu合金层,刻蚀后,沉积氮化硅和聚酰亚胺。
实验组,钨塞工艺相同,随后沉积TiW作为扩散阻挡层与电镀籽晶层,光刻图形化后,在源极区域电镀形成5 μm厚的Cu金属层,
再进行低温退火,以优化铜晶粒结构并释放应力。
2、BEOL(后道):
沉积并图形化SiO2/SiN钝化层,打开接触窗口,
随后晶圆减薄至150μm,完成背面金属(Ni背金,Ti/Ni/Ag烧结层)。
另,为满足模块制备与验证需求,对照组与实验组均额外沉积Ni/Pd/Au层,作为顶部可焊接金属,
Ni/Pd/Au三层金属堆叠,对照组与实验组设计完全相同。

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电镀铜SiC MOSFET器件FIB剖面如上,
黄色区域为Cu,包括正面源极金属、栅极金属以及全部的栅源互联母线。
接下来,对两组器件进行测试,

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如上,两组器件BV、Rdon、Vth和IDSS的箱图,
除了Rdon之外,其余参数几乎完全相同,
相比常规SiC MOSFET,电镀铜SiC MOSFET的Ron,sp降低了0.1mΩ·cm2,
这主要源于铜的材料优势——电阻率更低,使得源pad电阻减小,
此外还有一点要注意:
在元胞间距小于3.5μm的SiC MOSFET中,元胞密度极高,而每个元胞的源极均通过顶部金属与外部引脚相连,
电流在每个元胞顶部汇入源极金属后,需横向流过金属层,才能到达键合点或互连区域,
但金属本身有电阻,大电流横向流过时,会沿电流路径产生一个很小的电压降ΔVsource,这会导致不同位置的元胞,源极电位不完全相同,
离键合点越远的元胞,电流流经的路径越长,积累的电压降越大,实际加到元胞上的有效驱动电压VGS,eff越小(VGS,eff= VGS-ΔVsource),
较小的VGS,eff会使远端元胞不能处于完全导通状态,从而增加沟道电阻,
在这个问题上,Cu的低电阻率再次发挥作用,
相比Al,Cu的电阻率低了37%,
因此相同厚度下,Cu金属层的薄层电阻明显小于Al,电流流经时产生的电压降明显更小,远端元胞更接近完全导通状态,器件的总导通电阻于是降低。

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两组器件的高温短路测试结果如上,
175℃下,VGS在-5V/+18V之间切换,母线电压800V,
Cu-MOS典型短路耐受时间达2.5μs,样本最大值2.88μs,
Al-MOS典型短路耐受时间达1.9μs,样本最大值2.2μs,

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两组器件的SCWT、浪涌电流箱图如上,
Cu-MOS单脉冲浪涌电流能力达560 A,Al-MOS相应值只有490A,
相比Al-MOS,Cu-MOS的短路耐受时间提升30%,单脉冲浪涌电流提升12%,
为什么有此提升?
因为Cu的热导率是Al的1.7倍,
SiC MOSFET器件的短路or浪涌失效,本质是沟道或JFET区温度骤增导致源极金属失效或介质损坏,
而Cu的高热导率可以将有源区热量更快传至芯片边缘,有效降低峰值温度,延迟热失控发生时间。

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如上,蓝线是Al-MOS,红线是Cu-MOS,
明显看到Cu-MOS的峰值温度更低,
另外,相比Al,Cu的熔点更高(~1084 ℃),这使得器件在短路或浪涌高温工况下,具备更优异的物理稳定性。
因此,电镀铜SiC MOSFET通过改善横向散热、提升高温结构坚固性,从根本上优化了器件动态电热鲁棒性。

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将芯片封装,做成塑封半桥功率模块后,进行功率循环实验,如上,
10万次循环后,重新测试模块并开盖,
看图d的黄色虚线,Al-MOS模块源极金属出现明显开裂,
而图c显示的Cu-MOS,金属/焊料界面稳定,Cu金属层完好,
为什么有此区别?
主要源自材料之间的热膨胀系数差异。
塑封模块内主要有如下几种材料:
SiC(~4 ppm/K)、铜夹片(~17 ppm/K)、塑封料(~10 – 20 ppm/K),以及正面金属,
若正面金属为Al(~23 ppm/K),则正面金属与SiC、铜夹片的热膨胀系数差异巨大,温度波动时,剪切应力集中于力学性能较弱的铝层,引发热机械疲劳开裂。
若正面金属为Cu(~17 ppm/K),则与铜夹片高度匹配,且与塑封料兼容性更佳,
结合电镀铜层自身优异的抗疲劳性能,以铜作为正面金属可从根本上缓解封装界面的热失配应力,消除铝金属化典型失效模式,保证模块高可靠工作。
小结:
1、相比Al-MOS,Cu-MOS的Ron,sp降低了0.1mΩ·cm2,原因是相比Al,Cu的电阻率低了37%,
2、相比Al-MOS,Cu-MOS的短路耐受时间提升30%,单脉冲浪涌电流提升12%,这提升主要因为Cu的热导率是Al的1.7倍,
3、相比Al-MOS,Cu-MOS可显著提升模块功率循环能力,原因是Cu金属的热膨胀系数与SiC、铜夹片等更加适配。
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