碳化硅（SiC）具有優(yōu)良的電學和熱學特性，是一種前景廣闊的寬禁帶半導體材料。SiC 材料制成的功率 MOSFET 非常適合應用于大功率領域，而高溫柵氧可靠性是大功率 MOSFET 最需要關注的特性之一。本文通過正壓高溫柵偏試驗和負壓高溫柵偏試驗對比了自研SiC MOSFET 和國外同規(guī)格 SiC MOSFET 的高溫柵氧可靠性。負壓高溫柵偏試驗結果顯示自研 SiC MOSFET 與國外 SiC MOSFET 的閾值電壓偏移量基本相等，閾值電壓偏移量百分比最大相差在 4.52%左右。正壓高溫柵偏試驗的結果顯示自研 SiC MOSFET 的閾值電壓偏移量較小，與國外 SiC MOSFET 相比，自研 SiC MOSFET 的閾值電壓偏移量百分比最大相差 11%。自研器件占優(yōu)勢的原因是在 SiC/SiO2界面處引入了適量的氮元素，鈍化界面缺陷的同時，減少了快界面態(tài)的產(chǎn)生，使總的界面態(tài)密度被降到最低。

 

 

SiC 是一種非常優(yōu)秀的半導體材料，擁有優(yōu)良的物理和電學特性。SiC 材料與 Si 材料相比具有禁帶寬度更寬、臨界擊穿場強更大、電子飽和漂移速度更快等優(yōu)點[1]。與 Si 器件相比，SiC 器件具有更低的導通電阻、更高的開關頻率，這使得 SiC 器件的導通損耗更小，裝置體積可以做的更小，此外 SiC 器件還具有更好的耐高溫、抗輻射性能[2]。隨著半導體技術的發(fā)展，Si 基功率半導體器件逐漸逼近其物理極限，在軌道交通、智能汽車、開關電源、工業(yè)電機等領域，SiC 功率器件得到快速的發(fā)展和應用[3]。在 SiC 功率器件中，SiC 功率 MOSFET 開關是國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界和學術界研究的重點和熱點[4]，國外的羅姆、科銳、英飛凌等公司都推出了自己的 SiC MOSFET 產(chǎn)品。SiC MOSFET 柵介質和溝道界面影響器件的性能與可靠性[5]。本文主要對自研的 SiC MOSFET 和國外公司的 SiC MOSFET 器件進行高溫可靠性測試分析。

 

 

SiC基MOSFET器件柵氧界面處的勢壘高度較低，較低的勢壘高度使溝道中的載流子更容易穿過勢壘來到氧化層中，影響柵氧化層的質量。另一方面，SiC 在氧化過程中殘留在界面處的 C 元素會在 SiC/SiO2的界面處帶來較高的界面態(tài)密度[6]。高密度的界面態(tài)會影響 SiC MOSFET 器件的性能和可靠性[7]。界面處的電荷陷阱通過俘獲電荷降低載流子密度，通過庫倫散射降低載流子遷移率，影響 SiC MOSFET 的電流能力和跨導等特性；界面態(tài)電荷陷阱在器件開啟和關斷的過程中俘獲和釋放載流子，使得 SiC MOSFET 的閾值電壓發(fā)生漂移[8]。柵氧化層和界面態(tài)電荷陷阱增大 SiC MOSFET 在高電場下的隧穿電流，增大漏電流、擊穿柵氧介質導致器件失效。

 

在實際應用中可靠性是評價器件性能的重要指標，因此對 SiC MOSFET 的可靠性進行評估具有重要意義 [1]。以下介紹 SiC MOSFET 的一種可靠性評估方法，高溫柵偏(High Temperature Gate Bias，HTGB)試驗。高溫柵偏試驗，是模擬 SiC MOSFET 在導通狀態(tài)時的工作情況，將被測樣品長時間持續(xù)保持在高溫高柵壓應力的條件下進行考核，然后對被測樣品進行電學測試，監(jiān)測其漏電流和閾值電壓，并通過電學參數(shù)的變化來評估被測器件可靠性的評估方法[9]。高溫柵偏試驗是評估 SiC MOSFET 器件可靠性的重要試驗，目的是確認有關晶體缺陷的柵極氧化膜可靠性，對評估柵氧化層的穩(wěn)定性具有重要作用。

 

高溫柵偏試驗分為正向高溫柵偏試驗和負向高溫柵偏試驗。在正向高溫柵偏試驗中，柵極被長時間施加直流的正偏壓，SiC 柵氧化層界面中的陷阱俘獲電子使閾值上升。在負向高溫柵偏試驗中，柵極被長時間施加直流的負偏壓，空穴被捕獲，閾值下降。在高溫下施加柵偏壓的過程中，柵氧化層中的陷阱、可動離子，SiC/SiO2界面處的界面態(tài)、近界面態(tài)會隨著偏壓應力的累積發(fā)生俘獲和運動[8]。高溫下施加在柵極的偏壓應力會向柵氧層中注入并累積一些電荷，電應力持續(xù)累積，會對 SiC MOSFET 的開關特性造成影響，使得閾值電壓、導通電阻等發(fā)生變化，甚至使器件失效。

 

 

高溫柵偏試驗通過同時施加柵極偏置和高溫應力來評估 MOSFET 器件的柵氧化層可靠性。本次考核試驗參考IEC60747-8 標準對器件進行考核。測試電路圖如圖 1 所示，通過對 SiC MOSEFT 器件高溫柵偏試驗前后閾值電壓 VTH、柵漏電流 IGSS的對比研究器件在高溫偏壓條件下的可靠性。

 

 

樣品信息：A、B 是自主研制的不同柵氧條件的 SiC MOSFET，R、C 是國外同規(guī)格器件。挑選 A 器件 5 只、B 器件 5只、R 器件 3 只、C 器件 2 只，共 15 只器件進行試驗。

 

試驗條件：

 

1)負偏壓 HTGB：Tj=175℃，VGS=-5V,VDS=0V,t=168hours，并在試驗后 6 小時、12 小時、24 小時、48 小時、96 小時、168h 后進行器件靜態(tài)特性對比測試。

 

2)正偏壓 HTGB:Tj=175℃，VGS=+20V,VDS=0V,t=168hours，試驗 168 小時后進行器件靜態(tài)特性對比測試。

 

通過對試驗前后閾值電壓 VTH特性及柵漏電特性進行對比，以閾值電壓的漂移幅度作為器件特性變化評估依據(jù)。

 

 

 

 

圖 2 給出了閾值特性曲線、閾值電壓及閾值電壓漂移情況的實驗結果。

 

不同器件的閾值電壓變化情況如表 1 所示

 

 

 

從圖 2 以及表 1 可以看出，對于四種不同的 SiC MOSFET:

 

1）168 小時考核前后，自研器件 A、B 的閾值電壓偏移量分別是 0.2V、0.16V,國外器件 R、C 的閾值電壓偏移量分別是 0.21V、0.15V,A 與 R、B 與 C 分別相差 0.1V；自研器件 A、B 閾值電壓偏移量百分比的變化分別是 10.29%、7.41%，國外器件 R、C 閾值電壓偏移量百分比的變化分別是 5.77%、6.37%。自研器件與國外器件相比，差距不大；自研器件 A與 B 相比，器件 B 閾值電壓偏移量更小。

 

2）隨著考核時間的增加，閾值電壓逐漸減小，減小的幅度越來越小。

 

圖 3 給出了反向高溫柵偏試驗前后正向柵源漏電流（IGSSF）和反向柵源漏電流（IGSSR）的實驗結果。

 

從圖 3 可以看出對于四種不同的 SiC MOSFET 器件：

 

1）正向柵源漏電流有隨偏壓時間的增加而增加的趨勢，試驗都在 10nA 左右，自研器件和國外同規(guī)格器件之間沒有明顯區(qū)別；自研器件 A 與 B 相比，正向柵漏電流沒有明顯區(qū)別。

 

2）R 組中有一個器件在試驗前的反向柵源漏電為 2nA，其它器件的反向柵源漏電在試驗前都低于 0.1nA，試驗后 B組器件仍低于 0.1nA，其他 3 款器件增加到 5nA 左右。在負壓柵偏試驗中，自研器件反向柵漏電流變化幅度更小，穩(wěn)定性更好；自研器件 A 與 B 相比，器件 B 的反向柵漏電流更小。

 

 

圖 4 給出了正向高溫柵偏試驗后閾值特性曲線、閾值電壓、閾值電壓偏移量的結果。

 

正壓高溫偏壓試驗前后不同器件的閾值電壓變化情況如表 2 所示：

 

 

圖 4 以及表 2 可以看出，對于四種不同的 SiC MOSFET，正向高溫柵偏試驗前后:

 

1）自研器件 A、B 的閾值電壓偏移量較小，分別是 2.18V、2.40V，偏移量大約為 18%；國外同規(guī)格器件 R、C 的閾值電壓偏移量較大，分別是 3.98V、2.58V，偏移量在 29%左右。這說明自研器件在正向高溫柵偏試驗中的可靠性要優(yōu)于國外同規(guī)格的器件。

 

2）自研器件 A、B 在試驗 24 小時之后復測,閾值電壓回復量在 0.2V 左右；國外同規(guī)格器件閾值電壓的回復量在0.6V 左右，表明自研器件具有更優(yōu)的閾值穩(wěn)定性高溫柵偏試驗前后的正向柵源漏電流（IGSSF）和反向柵源漏電流（IGSSR）如圖 5 所示。

 

從圖 5 可以看出，對于 4 種不同的 SiC MOSFET 器件，經(jīng)過正向 HTGB 試驗：

 

1）正向柵源漏電流經(jīng)過正向高溫柵偏試驗都有變小趨勢，四款器件沒有明顯區(qū)別，說明自研器件與國外同規(guī)格器件性能相近。

 

2）反向柵源漏電流在試驗前后都比較小。器件 A、B、R 的反向柵漏電流在試驗前后和 24 小時之后復測都低于 1nA；C 組器件中，第一個器件的反向柵源漏電在試驗前后分別是 1.5nA 和 nA,24 小時之后復測為 4nA，第二個器件的反向柵源漏電在試驗前后都小于 1nA,24 小時之后復測為 1.6nA。

 

對兩款自研器件的柵氧工藝條件進行分析，如表 3 所示。

 

 

 

樣品 A 與樣品 B 相比，改變了氮化氣體的體積分數(shù)，氮化氣體的體積分數(shù)分別為 6%和 12%。SiC 進行氮化退火的機理是引入氮元素，與表面的 C 相關缺陷結合，鈍化界面態(tài)從而降低表面的界面態(tài)。但是，有文獻指出，引入的氮原子數(shù)量過多時引入的 N 原子與 C 相關缺陷等結合后在界面處形成空穴陷阱，使界面態(tài)密度不能降到最低[10-11]。其中東京大學和范德比爾特大學都有相關研究，東京大學指出界面處的 N 含量與快界面態(tài)的密度呈正比，美國范德比爾特大學的 Rozen 等人證明了在對 SiC/SiO2和 Si/SiO2界面系統(tǒng)進行氮化退火處理時，退火后的半導體/SiO2界面及近界面的空穴陷阱密度和 N 的含量成線性關系，N 的含量越多，空穴陷阱密度越大。

 

在負偏壓柵漏電測試實驗中，測試溫度為室溫，P-F 隧穿電流與溫度呈指數(shù)關系，且隨溫度的增加而增加。結合Le-Huu 等人對 SiC MOS 柵漏電流的研究成果，可以認為我們測試得到的漏電結果，以 P-F 隧穿電流為主，F(xiàn)-N 隧穿電流占柵漏電流較小的部分。在柵漏電流的測試結果中，的柵漏電流正向柵漏電流差距不大，反向柵漏電流樣品 B 的最小。根據(jù) P-F 隧穿電流的隧穿機理，在第一階段空穴通過隧穿過程進入到 SiO2中的陷阱能級，然后在第二個階段通過熱激發(fā)轉移到氧化層中，陷阱能級在其中起重要作用。結合上文中提到的退火條件對界面密度的影響，可以分析得出，樣品 B 的退火條件向界面引入了合適的 N 原子，在鈍化界面缺陷的同時，生成的界面空穴陷阱較少，使界面處的缺陷總量較小，較小的界面缺陷使得樣品 B 在高溫偏壓試驗前后的閾值電壓漂移量較小，反向偏壓漏電也較小，反向偏壓漏電和高溫偏壓漏電的結果可以相互驗證。

 

 

本文對自研器件和國外同規(guī)格器件進行正壓和負壓高溫柵偏試驗，通過觀測試驗前后的閾值電壓、正向柵源漏電流和反向柵源漏電流的變化量對器件的可靠性進行分析。

 

在負壓高溫柵偏試驗中，自研器件與國外器件的閾值電壓變化量絕對值相差不大，分別是 0.2V、0.16V 與 0.21V、0.15V，自研器件的閾值電壓偏移量百分比與國外器件相比稍大；自研器件和國外器件的柵源漏電流沒有明顯差別。

 

在正壓高溫柵偏試驗中，自研器件與國外器件閾值電壓漂移分別是 2.18V、2.40V 和 3.98V、2.58V；自研器件與國外器件的正向柵漏電流變化相當，反向柵漏電流與國外器件相比更穩(wěn)定。

 

自研器件 A 和 B 的氮化氣體體積分數(shù)分別是 12%和 4%，器件 A 在 SiC/SiO2界面處引入了過量的氮元素，鈍化界面缺陷的同時，快界面態(tài)的產(chǎn)生過多，界面態(tài)密度沒有被降到最低；器件 B 在 SiC/SiO2界面處引入的氮元素含量適當，鈍化界面缺陷的同時，減少了快界面態(tài)的產(chǎn)生，使總的界面態(tài)密度被降到最低。

 

來源：電源學報 作者：中國科學院大學微電子學院 劉建君，中國科學院微電子研究所 陳宏 、白云、郝繼龍、韓忠霖，株洲中車時代半導體有限公司 丁杰欽

 

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