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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