设计和制作带有特定地球宇宙射线(TCR)额定值的半导体装置的制作方法

此申请要求对2016年2月24日提交的标题为“designingandfabricatingsemiconductordeviceswithspecificterrestrialcosmicray(tcr)ratings”的临时申请no.62/299401的优先权及其权益，所述临时申请通过引用以其整体被结合于本文中。

背景技术

本文所公开的主题涉及半导体，并且更具体地涉及用于设计和制作带有特定地球宇宙射线(tcr)额定值的碳化硅(sic)装置的方法。

此部分旨在向读者介绍可能与本公开的各个方面相关的领域的各个方面，其在下文被描述和/或被要求权利。此讨论被认为有助于向读者提供背景信息以便促进更好地理解本公开的各个方面。因此，应该理解的是，这些陈述应以此角度来阅读，并不是作为对现有技术的承认。

诸如二极管、功率mosfet、绝缘栅极双极晶体管(igbt)、和诸如此类的功率装置被用于各种功率转换系统中。太空、高海拔和地球系统中的此类装置容易受到由高能粒子引起的破坏性单粒子烧毁事件(seb)（singleeventburnout）的影响。各个功率装置的操作可能受地球宇宙射线(tcr)所影响。例如，tcr暴露能使功率装置以不期望的方式出现故障，这可能导致装备/系统失灵和/或损坏。此外，某些应用可指定在特定装备中要使用的、带有某一tcr故障率额定值的功率装置。

技术实现要素：

在范畴中与最初要求权利的主题相称的某些实施例在下面被概述。这些实施例不旨在限制所要求权利的主题的范畴，而是这些实施例旨在仅提供本公开的可能形式的简要概述。实际上，所公开的技术可以涵盖可类似于或不同于以下阐述的实施例的各种形式。

在一个实施例中，一种制造碳化硅(sic)装置的方法包括:接收对在特定施加电压的特定地球宇宙射线(tcr)额定值的选择；至少基于在特定施加电压的特定tcr额定值来确定对于sic装置的击穿电压；至少基于击穿电压来确定漂移层设计参数。漂移层设计参数包括漂移层的掺杂浓度和厚度。所述方法还包括制作具有漂移层的sic装置，所述漂移层带有所确定的漂移层设计参数。sic装置具有在特定施加电压的特定tcr额定值。

在一个实施例中，一种电子装置包括一个或多个处理器，所述一个或多个处理器配置成运行计算机指令，所述计算机指令促使所述一个或多个处理器执行以下操作：接收包括碳化硅(sic)装置的在特定施加电压的特定tcr额定值的输入；至少基于在特定施加电压的特定tcr额定值来确定对于sic装置的击穿电压；至少基于击穿电压来确定对于sic装置的漂移层设计参数；以及输出漂移层设计参数。

在一个实施例中，一种针对在特定施加电压的特定地球宇宙射线(tcr)故障率所设计的碳化硅(sic)装置包括漂移层，所述漂移层包括针对在特定施加电压的特定tcr故障率额定值所确定的参数。至少基于sic装置的击穿电压来确定所述参数，并且至少基于根据以下关系的特定施加电压和击穿电压来确定tcr故障率:

其中a是常数值，b是常数值，v是所述特定施加电压，并且bv是所述击穿电压。

附图说明

当参考附图来阅读以下具体实施方式时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中相似字符贯穿附图表示相似部分，在附图中:

图1是根据本技术的实施例的平面sicmosfet装置的示意图；

图2是示出根据本技术的实施例的用于运算非穿通sic装置设计的击穿电压的电场的模型的示意图；

图3是示出根据本技术的实施例的用于运算穿通sic装置设计的击穿电压的电场的模型的示意图；

图4是示出根据本技术的实施例的对于具有不同最大电压额定值的sic装置的tcr故障率对施加电压的坐标图；

图5是示出根据本技术的实施例的对于具有不同最大电压额定值的sic装置的tcr故障率对归一化电压的坐标图；

图6是示出根据本技术的实施例的对于具有不同最大电压额定值的sic装置的tcr故障率对归一化电压，以及tcr故障率对跨不同最大电压额定值的归一化电压的拟合线的坐标图；以及

图7是根据本技术的实施例的设计和制作带有(在特定施加电压的)特定tcr额定值的sic装置的方法的流程图。

具体实施方式

以下将描述本公开的一个或多个特定实施例。为了努力提供这些实施例的简明描述，说明书中可能没有描述实际实现的所有特征。应当领会的是，在任何此类实际实现的开发中（如在任何工程或设计项目中），必须做出许多实现特定的决定来达到开发者的特定目的，诸如遵从系统相关和商业相关的约束，其可能从一个实现到另一个实现而变化。此外，应当领会的是，此类开发努力可能是复杂和耗时的，但是对于受益于此公开的那些普通技术人员来说，这将仍然是设计、制作和制造的例行任务。

当介绍本公开的各个实施例的元件时，冠词“一（a、an）”和“所述（the、said）”旨在意味着存在所述元件的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含性的，并意味着除了列出的元件之外还可存在附加元件。

如所提及的，某些应用可以指定要使用带有某一tcr额定值的半导体功率装置。目前认识到，半导体功率装置的具体特性可以定义它们对tcr效应的敏感性。虽然理解半导体功率装置的漂移层的掺杂浓度和厚度可以定义装置的额定性能(例如，阻塞能力)，但是目前认识到，漂移层设计也可以定义半导体装置对地球宇宙射线(tcr)辐射效应的敏感性，诸如使半导体装置灾难性地故障。因此，本公开的实施例通常涉及用于基于漂移层的设计参数来设计和制作带有特定tcr故障率的半导体装置的方法。此外，虽然本方法可以在sicmosfet装置的上下文中在下面被讨论，但是应当领会的是，本方法可以适用于利用n沟道设计和p沟道设计两者的其它类型的装置结构(例如，二极管(例如，肖特基、pin、jbs、mps等)、晶闸管、mosfet、umosfet、vmosfet、dmosfet、绝缘栅极双极晶体管(igbt)、双极晶体管(bjt)、绝缘基极mos控制的晶闸管(ibmct)、结型场效应晶体管(jfet)、和金属半导体场效应晶体管(mesfet)、或任何其它合适的装置)。

图1示出了根据本技术的实施例的平面n沟道场效应晶体管的有源极单元，即dmosfet，在下文称为mosfet装置10，其被设计成具有具体tcr额定值。可以领会的是，为了更清楚地示出mosfet装置10（以及下面讨论的其它装置）的某些组件，可以省略某些通常理解的设计元件(例如，顶部金属化、钝化、边缘端接、等等)。图1的所示mosfet装置10包括具有第一表面4和第二表面6的半导体层2(例如碳化硅(sic)半导体层)。半导体层2包括具有第一导电类型(例如，n型漂移层16)的漂移区16、与漂移区相邻并接近第一表面的阱区18，阱区18具有第二导电类型(例如，p阱18)。如以下更详细讨论的，根据本技术，漂移层16具有具体厚度17以及具体掺杂剂浓度，以提供某一击穿电压和tcr故障率额定值。处于海平面的宇宙射线由基于通量和粒子能量的关系包括质子、中子、π介子、μ介子、电子和光子的粒子谱所组成。

对于图1中所示的mosfet装置10，半导体层2还包括与阱区18相邻的源极区20，所述源极区具有第一导电类型(例如，n型源极区20)。栅极绝缘层24被布置在半导体层2的第一表面4的一部分上，并且栅极电极26被布置在栅极绝缘层24上。半导体层2的第二表面6是衬底层14，并且漏极触点12沿着衬底层14被布置在装置10的底部上。源极/体触点22被布置在半导体层2的顶部上，部分覆盖源极区20和阱/体区18。在操作期间，适当的栅极电压(例如，处于或超过mosfet装置10的阈值电压(vth))可以使反型层被形成于沟道区28中，以及由于载流子的累积而在结型场效应晶体管(jfet)区29中要被增强的导电路径，从而允许电流在触点22(即，源极电极)和漏极触点12之间流动。应当领会的是，对于本文所讨论的mosfet装置，沟道区28通常可以被定义为布置在栅极电极26和栅极电介质24下面的阱区18的上面部分。

如上所讨论的，针对漂移层16具有不同设计参数的mosfet装置10的实施例具有不同的击穿电压额定值。通常，击穿电压随着漂移层16的厚度17增大以及掺杂浓度减小而增大，并且随着漂移层16的厚度17减小以及漂移层16的掺杂浓度增大而减小。对于不同类型的装置设计(例如，非穿通设计、穿通设计)，基于漂移层16的设计参数，能够使用一个或多个物理/数学关系来分析性地估计击穿电压。

例如，图2是示出电场模型50的表示的示意图，电场模型50能被用于运算平行平面(例如，非穿通)4h-sicmosfet装置设计的击穿电压。尽管在本文中关于sic装置讨论了4h多型，但是应当注意的是，任何合适的多型(例如，2h、6h、3c等)可被用于某些实施例中。在模型50中，示出了p⁺/n结，其中p⁺侧是高度掺杂的(例如，大于1x10¹⁹cm^-3)。当通过向n区施加正偏压而使结被反向偏压时，形成耗尽区。在n区中还生成强电场以支持电压。如所描绘的，电场在x=0处具有最大幅值(em)并且在x=w处以线性速率减小到零，从而形成三角形电场分布。应当注意的是，x=0位于两个轴(x和e(x))的相交处。模型50可被用于根据以下关系来导出对于非穿通4hsicmosfet装置设计的击穿电压的分析性估计:

(等式1)

其中bv是非穿通平行平面击穿电压，并且nd是漂移层16中的掺杂浓度。此外，模型50可被用于根据以下关系来导出对于非穿通4h-sicmosfet装置设计的漂移层16厚度的分析性估计:

(等式2)

其中w是非穿通设计漂移层厚度，并且nd是漂移层16掺杂浓度。

对于其它sicmosfet装置设计（诸如穿通设计），击穿电压也可以基于漂移层16的参数而被分析性地估计。例如，图3是示出电场模型52的示意图，电场模型52能被用于运算穿通平面4h-sicmosfet装置设计的击穿电压。对于穿通平面设计，将较薄的耗尽区与降低的掺杂浓度一起使用以支持施加电压。在此类设计中，降低的漂移厚度有益于降低单极装置的导通电阻以及双极装置的导通状态电压降和存储电荷。此外，n区是高度掺杂的。如模型52中所示，由于低掺杂浓度，电场通过耗尽区逐渐减小，并且由于高掺杂浓度，电场在n⁺区中突然减小。模型52可被用于根据以下关系来导出对于穿通平面设计的击穿电压的分析性估计:

(等式3)

其中bv是穿通平行平面击穿电压，ec是临界电场，w是漂移层16的厚度17，nd是漂移层16中的掺杂浓度，q是电子电荷(1.602e-19c)，并且εs是半导体材料介电常数。此外，模型52可连同已知的材料碰撞电离常数一起用于根据以下关系来导出对于穿通平面设计的临界电场的分析性估计:

(等式4)

如应该理领会的，以上关系可被用于基于期望的击穿电压来确定漂移层16的掺杂浓度和厚度17。另外，如果已知期望的击穿电压，则针对非穿通和穿通平面设计的以上关系可被用于运算漂移层16的掺杂浓度和厚度17，以提供具有期望的击穿电压的半导体装置10。如以下所阐述的，本实施例还提供一种基于此击穿电压来确定半导体装置10的估计的tcr故障率额定值的方法。

如先前所注，漂移层16的设计定义了半导体装置对tcr辐射效应的敏感性。图4是示出了由于tcr暴露对具有不同最大电压(bvr)额定值的sic装置(例如，mosfet10、二极管)的施加电压的归一化故障率(1故障时间(fit)=每1x10⁹装置小时1次故障)的示例的坐标图54。更特定地，曲线56表示带有1.2kv的bvr的sic装置，曲线58表示带有1.7kv的bv的sic装置，曲线60表示带有2.2kv的bvr的sic装置，曲线62表示带有2.5kv的bv的sic装置，并且曲线64表示带有3.3kv的bvr的sic装置，每条曲线都与实验测量点的相应集合拟合。从图5中清楚的是，对于特定bvr，fit率取决于施加电压。此外，可以领会的是，sic装置电压额定值与击穿电压(bv)不相同。也就是说，通常，施加电压小于击穿电压。因此，在一些实施例中，通过优化漂移层16设计(例如，添加/去除击穿电压裕度)，可以针对在某一电压的特定tcr故障率来设计和开发sic装置。

为了进一步说明，图5是描绘一般化tcr故障率对施加电压(归一化为装置击穿电压)的坐标图66。曲线68、70、72、74和76各自表示带有不同最大电压额定值(即，1.2kv、1.7kv、2.2kv、2.5kv和3.3kv)的sic装置，当施加电压被归一化为装置的击穿电压时，曲线68、70、72、74和76显示出大体类似的趋势。因此，在一些实施例中，以下关系可被用于设计带有特定tcr额定值的sic装置:

(等式5)

其中a是在从-4到-10的范围内（例如，从-5到-6）的常数值，b是在从10到20的范围内(例如，从11到14)的常数值，v是施加电压，并且bv是击穿电压。在一些实施例中，bv可以从以上描述的分析性估计(例如，等式1或等式3)、从实验结果、或从其某一组合中获得。例如，在某些实施例中，等式5可以与等式1或等式3组合，使得可以直接从漂移层16的厚度17和掺杂浓度来估计tcr故障率。为了说明，针对非穿通将等式5和1进行结合，得到以下关系:

(等式6)

此外，针对穿通将等式5和3进行组合，得到以下关系:

(等式7)

例如，使用等式5中表达的关系，tcr故障率(曲线82)可以跨带有不同电压额定值(例如，1200v、1700v、2200v、2500v、和3300v)的所有sic装置而被一般化，如图6中的坐标图80中所示。坐标图80的曲线82示出了tcr故障率对跨多个不同额定的sic装置的施加电压(归一化为bv)的目前标识的依赖性。曲线82的趋势一般示出，随着归一化(为击穿电压)的施加电压增大，各个额定的sic装置的tcr故障率增大。在一些实施例中，等式5和/或曲线82中表达的关系可被用于通过提取漂移层16设计参数来设计对于在某一电压的特定tcr故障率的sic装置，所述漂移层16设计参数提供与tcr额定值相关联的击穿电压。

为此，图7是用于设计和制作带有(在特定施加电压的)特定tcr额定值的sic装置的过程90的流程图。过程90可被部分或整个实现为存储在一个或多个有形的、非暂态计算机可读介质(例如，存储器)上并由一个或多个处理器所运行的计算机指令。例如，在一些实施例中，过程90可完全由计算机化系统或制作系统所执行，而在一些实施例中，过程90的一部分可由计算机化系统或制作系统所执行并且过程90的一部分可被手动执行。在一些实施例中，一些步骤可采用与过程90中所示出的顺序不同的顺序来执行和/或不是所有步骤可被执行。

现在参考图7，示出的过程90开始于接收针对期望tcr额定值的用户输入和针对tcr额定值的特定施加电压(框92)。例如，选择可以从计算机化系统或制作系统的用户接口所接收并且作为输入由一个或多个处理器所接收。应当注意的是，tcr额定值取决自施加电压。也就是说，期望tcr额定值作为施加电压的函数而被选择。在一些实施例中，选择可由一个或多个处理器从另一通信地耦合的计算装置所接收。在一些实施例中，期望tcr额定值和特定施加电压可由一个或多个处理器基于先前输入或预配置指令来自动选择，以生成在特定施加电压处的特定tcr额定值的sic装置。过程90还包括接收选择以根据穿通或非穿通平面sic装置设计来设计sic装置(框94)。如下所讨论的，穿通或非穿通平面sic装置设计的选择影响使用哪些关系来确定期望的漂移层16参数(例如，掺杂浓度和厚度)以在带有期望的击穿电压和tcr额定值的sic装置中实现。在一些实施例中，过程90可以包括接收对装置的类型(例如，mosfet)的选择。

示出的过程90还包括至少基于特定tcr额定值和特定施加电压来确定sic装置的击穿电压(框96)。在一些实施例中，等式5中表达的关系可被用于确定对于在施加电压的所选择的tcr额定值的击穿电压。也就是说，所选择的tcr额定值和施加电压可被输入到等式5中所表达的关系中，以获得击穿电压。所述方法还可包括至少基于对于所选择的tcr额定值和施加电压的击穿电压来确定漂移层16设计参数(例如，掺杂浓度和厚度)(框98)。等式1-4中所表达的关系可被用于获得漂移层16设计参数(例如，漂移层16的厚度17、漂移层16的掺杂浓度)。然而，等式1和2涉及非穿通平面装置设计，并且等式3和4涉及穿通平面装置设计。此外，等式6可被用作针对非穿通装置设计的单个关系并且等式7可被用作针对穿通装置设计的单个关系，以从漂移层16设计参数(例如，漂移层16的厚度17和掺杂浓度)中估计tcr故障率，或者以基于期望的tcr故障率来确定漂移层16设计参数。因此，关系的使用可基于对要根据穿通还是非穿通sic装置设计来制作sic装置的选择而被确定。

如果sic装置是根据非穿通装置设计而被设计的，则等式1和2可被用于至少基于击穿电压来输出漂移层16掺杂浓度和厚度。例如，击穿电压可被输入到等式1中所表达的关系中并被求解以输出漂移层16掺杂。然后，漂移层16掺杂可被输入到等式2中所表达的关系中并被求解以输出漂移层16厚度。此外，如果sic装置是根据穿通平面装置设计而被设计的，则等式3和4可被用于至少基于击穿电压输出漂移层掺杂浓度和厚度。

在某些实施例中，诸如当过程90由自动化制造系统的处理器所执行时，过程90可以包括制作包括具有所确定的设计参数的漂移层的半导体装置(框100)。在其它实施例中，处理器可输出在框98中所确定的漂移层设计参数，使得用户可以手动执行半导体装置的制作。

本发明的技术效果包括设计和制作带有在特定施加电压的特定tcr额定值的sic装置。因为漂移层定义了半导体装置对tcr辐射效应的敏感性，所以本公开的实施例能够实现带有针对击穿电压和tcr额定值两者的考虑的sic装置的漂移层设计参数（例如，掺杂浓度和厚度）的确定。一旦漂移层设计参数被确定，则包括带有此类参数的漂移层的sic装置可被制作。

此书面描述使用示例来公开技术，包括最佳模式，并且还使用示例来使得本领域任何技术人员能够实践所述技术，包括制造和使用任何装置或系统并执行任何结合的方法。本公开的可取得专利范畴由权利要求所定义，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求的文字语言并无不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质性差异的等效结构元件，则意图此类其它示例在权利要求的范畴内。