AEC---SiC MOSFET 高溫柵氧可靠性研究

摘要：碳化硅（SiC）由于其優(yōu)異的電學(xué)及熱學(xué)特性而成為一種很有發(fā)展前途的寬禁帶半導(dǎo)體材料。SiC材料制作的功率MOSFET很適合在大功率領(lǐng)域中使用，高溫柵氧的可靠性是大功率MOSFET中最應(yīng)注意的性能。

本文通過正壓高溫柵偏試驗(yàn)和負(fù)壓高溫柵偏試驗(yàn)對(duì)比了自研SiC MOSFET 和國(guó)外同規(guī)格 SiC MOSFET 的高溫柵氧可靠性。負(fù)壓高溫柵偏試驗(yàn)結(jié)果顯示自研 SiC MOSFET 與國(guó)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(yàn)的結(jié)果顯示自研SiC MOSFET的閾值電壓偏移量較小，與國(guó)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%。自研器件之所以占主導(dǎo)地位，是因?yàn)镾iC/SiO2接口中引入適量氮元素鈍化接口缺陷，同時(shí)降低快接口態(tài)生成，從而使得整個(gè)接口態(tài)密度最小。

引言：SiC 是一種非常優(yōu)秀的半導(dǎo)體材料，擁有優(yōu)良的物理和電學(xué)特性。SiC 材料與 Si 材料相比具有禁帶寬度更寬、臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)更大、電子飽和漂移速度更快等優(yōu)點(diǎn)[1]。與 Si 器件相比，SiC 器件具有更低的導(dǎo)通電阻、更高的開關(guān)頻率，這使得 SiC 器件的導(dǎo)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(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展,Si基功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)接近了它的物理極限,SiC功率器件在軌道交通，智能汽車，開關(guān)電源以及工業(yè)電機(jī)等方面都有了迅速的發(fā)展與應(yīng)用[3]。SiC功率器件中SiC功率MOSFET開關(guān)一直是國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)與熱點(diǎn)[4]。SiC MOSFET的柵介質(zhì)及溝道界面對(duì)器件性能和可靠性有影響[5]。該文主要就自研SiC MOSFET及國(guó)外公司SiC MOSFET器件高溫可靠性試驗(yàn)進(jìn)行了分析。

SiC MOSFET 柵氧化層可靠性

SiC基MOSFET器件柵氧界面處的勢(shì)壘高度較低，較低的勢(shì)壘高度使溝道中的載流子更容易穿過勢(shì)壘來到氧化層中，影響柵氧化層的質(zhì)量。另一方面，SiC 在氧化過程中殘留在界面處的 C 元素會(huì)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(huì)影響 SiC MOSFET 器件的性能和可靠性[7]。界面上電荷陷阱利用俘獲電荷減小載流子密度并利用庫(kù)倫散射減小載流子遷移率從而影響SiC MOSFET電流能力、跨導(dǎo)以及其他性能；界面態(tài)電荷陷阱捕獲并釋放載流子使器件打開與關(guān)閉時(shí)SiC MOSFET閾值電壓漂移[8]。柵氧化層及界面態(tài)電荷陷阱增加了高電場(chǎng)中SiC MOSFET的隧穿電流并加大了漏電流，擊穿柵氧介質(zhì)而造成器件失效。

在實(shí)際應(yīng)用中可靠性是評(píng)價(jià)器件性能的重要指標(biāo)，因此對(duì) SiC MOSFET 的可靠性進(jìn)行評(píng)估具有重要意義 [1]。以下介紹 SiC MOSFET 的一種可靠性評(píng)估方法，高溫柵偏(High Temperature Gate Bias，HTGB)試驗(yàn)。高溫柵偏試驗(yàn)就是模擬SiC MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)下的運(yùn)行狀態(tài)，使被測(cè)樣品長(zhǎng)期連續(xù)地維持在高溫高柵壓應(yīng)力狀態(tài)下來考核，再對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行電學(xué)測(cè)試以監(jiān)測(cè)漏電流、閾值電壓等電學(xué)參數(shù)，通過改變電學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)待測(cè)器件的可靠性的一種評(píng)價(jià)手段[9]。高溫柵偏測(cè)試是評(píng)價(jià)SiC MOSFET器件可靠度的一項(xiàng)重要測(cè)試，旨在證實(shí)與晶體缺陷相關(guān)柵極氧化膜的可靠度，在評(píng)價(jià)柵氧化層穩(wěn)定性方面起著至關(guān)重要的作用。

高溫柵偏試驗(yàn)有正向高溫柵偏試驗(yàn)與負(fù)向高溫柵偏試驗(yàn)兩種。正向高溫柵偏實(shí)驗(yàn)時(shí)柵極長(zhǎng)期受直流正偏壓作用,SiC柵氧化層界面存在陷阱捕獲電子導(dǎo)致閾值升高。負(fù)向高溫柵偏實(shí)驗(yàn)中柵極長(zhǎng)期受直流負(fù)偏壓作用而俘獲空穴并降低閾值。在高溫下施加?xùn)牌珘旱倪^程中，柵氧化層中的陷阱、可動(dòng)離子，SiC/SiO2界面處的界面態(tài)、近界面態(tài)會(huì)隨著偏壓應(yīng)力的累積發(fā)生俘獲和運(yùn)動(dòng)[8]。高溫下施加在柵極的偏壓應(yīng)力會(huì)向柵氧層中注入并累積一些電荷，電應(yīng)力持續(xù)累積，會(huì)對(duì) SiC MOSFET 的開關(guān)特性造成影響，使得閾值電壓、導(dǎo)通電阻等發(fā)生變化，甚至使器件失效。

SiC MOSFET 高溫柵偏試驗(yàn)

一、 試驗(yàn)原理

高溫柵偏試驗(yàn)是將柵極偏置與高溫應(yīng)力同時(shí)作用于MOSFET器件柵氧化層上，從而對(duì)其可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。本考核試驗(yàn)是參照IEC60747-8的標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)器件的性能。測(cè)試電路圖見圖1.通過比較SiC MOSEFT裝置高溫柵偏測(cè)試前和測(cè)試后閾值電壓VTH和柵漏電流IGSS來研究裝置高溫偏壓時(shí)的可靠性。

二、 試驗(yàn)過程

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(guó)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(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：

負(fù)偏壓 HTGB：Tj=175℃，VGS=-5V,VDS=0V,t=168hours，并在試驗(yàn)后 6 小時(shí)、12 小時(shí)、24 小時(shí)、48 小時(shí)、96 小時(shí)、168h 后進(jìn)行器件靜態(tài)特性對(duì)比測(cè)試。

正偏壓 HTGB:Tj=175℃，VGS=+20V,VDS=0V,t=168hours，試驗(yàn) 168 小時(shí)后進(jìn)行器件靜態(tài)特性對(duì)比測(cè)試。

通過比較測(cè)試前后閾值電壓VTH特性和柵漏電特性，將閾值電壓漂移幅度視為器件特性變化的評(píng)價(jià)依據(jù)。

三、試驗(yàn)結(jié)果及分析

1、負(fù)壓 HTGB 試驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)于四種不同的 SiC MOSFET:

168 小時(shí)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(guó)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(guó)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(guó)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。

隨著考核時(shí)間的增加，閾值電壓逐漸減小，減小的幅度越來越小。

圖3給出了正向柵源漏電流（IGSSF）和反向柵源漏電流（IGSSR）在反向高溫柵偏試驗(yàn)前后的試驗(yàn)結(jié)果。

從圖 3 可以看出對(duì)于四種不同的 SiC MOSFET 器件：

正向柵源漏電流隨著偏壓時(shí)間延長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)，測(cè)試均約為10nA,自研器件與國(guó)外相同規(guī)格器件無顯著差異；自研器件A和B的正向柵漏電流無顯著差異。

R 組中有一個(gè)器件在試驗(yàn)前的反向柵源漏電為 2nA，其它器件的反向柵源漏電在試驗(yàn)前都低于 0.1nA，試驗(yàn)后 B組器件仍低于 0.1nA，其他 3 款器件增加到 5nA 左右。在負(fù)壓柵偏試驗(yàn)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。

2、 正壓 HTGB 試驗(yàn)

圖 4 給出了正向高溫柵偏試驗(yàn)后閾值特性曲線、閾值電壓、閾值電壓偏移量的結(jié)果。

正壓高溫偏壓試驗(yàn)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(duì)于四種不同的 SiC MOSFET，正向高溫柵偏試驗(yàn)前后:

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(guó)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(yàn)中的可靠性要優(yōu)于國(guó)外同規(guī)格的器件。

自研的器件A和B經(jīng)過測(cè)試24小時(shí)后重新測(cè)量，閾值電壓恢復(fù)量約為0.2V；國(guó)外同規(guī)格器件閾值電壓的回復(fù)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(yàn)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(duì)于 4 種不同的 SiC MOSFET 器件，經(jīng)過正向 HTGB 試驗(yàn)：

正向柵源漏電流在正向高溫柵偏試驗(yàn)后均呈現(xiàn)變小的趨勢(shì),4種器件之間無顯著差異，表明自研的器件在性能上接近于國(guó)外同等規(guī)格的器件。

反向柵源漏電流在試驗(yàn)前后都比較小。器件 A、B、R 的反向柵漏電流在試驗(yàn)前后和 24 小時(shí)之后復(fù)測(cè)都低于 1nA；C 組器件中，第一個(gè)器件的反向柵源漏電在試驗(yàn)前后分別是 1.5nA 和 nA,24 小時(shí)之后復(fù)測(cè)為 4nA，第二個(gè)器件的反向柵源漏電在試驗(yàn)前后都小于 1nA,24 小時(shí)之后復(fù)測(cè)為 1.6nA。

對(duì)兩款自研器件的柵氧工藝條件進(jìn)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?jǐn)?shù)，氮化氣體的體積分?jǐn)?shù)分別為 6%和 12%。

SiC 進(jìn)行氮化退火的機(jī)理是引入氮元素，與表面的 C 相關(guān)缺陷結(jié)合，鈍化界面態(tài)從而降低表面的界面態(tài)。然而，一些文獻(xiàn)指出當(dāng)引入氮原子個(gè)數(shù)過多時(shí)，引入N原子和C有關(guān)缺陷等組合會(huì)在界面處產(chǎn)生空穴陷阱而無法最大限度地降低界面態(tài)密度[10-11]。其中東京大學(xué)及范德比爾特大學(xué)均做過有關(guān)研究，東京大學(xué)注意到界面N含量正比于快界面態(tài)密度，美國(guó)范德比爾特大學(xué)Rozen等證明SiC/SiO2及Si/SiO2界面系統(tǒng)氮化退火，退火后半導(dǎo)體-SiO2界面以及近界面空穴陷阱密度與N含量呈線性關(guān)系，且N含量越高空穴陷阱密度越大。

在負(fù)偏壓柵漏電測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試溫度為室溫，P-F 隧穿電流與溫度呈指數(shù)關(guān)系，且隨溫度的增加而增加。結(jié)合Le-Huu 等人對(duì) SiC MOS 柵漏電流的研究成果，可以認(rèn)為我們測(cè)試得到的漏電結(jié)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(cè)試結(jié)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。從P-F隧穿電流隧穿機(jī)理來看，第一階段空穴經(jīng)過隧穿過程進(jìn)入SiO2內(nèi)部陷阱能級(jí)，第二階段再經(jīng)過熱激發(fā)傳遞至氧化層，陷阱能級(jí)對(duì)其有重要影響。綜合以上所述退火條件下界面密度變化情況，可分析認(rèn)為樣品B退火條件在界面處引入適當(dāng)N原子，當(dāng)鈍化界面缺陷時(shí)，產(chǎn)生的界面空穴陷阱減少，使得界面上缺陷總數(shù)量減少，較小的界面缺陷使得樣品 B 在高溫偏壓試驗(yàn)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(jié)果可以相互驗(yàn)證。

結(jié)論

文中開展了自研器件與國(guó)外相同規(guī)格器件正，負(fù)壓高溫柵偏實(shí)驗(yàn)，通過觀察實(shí)驗(yàn)前后閾值電壓，前，后向柵源漏電流變化量分析了器件可靠性。

在負(fù)壓高溫柵偏試驗(yàn)中，自研器件與國(guó)外器件的閾值電壓變化量絕對(duì)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(guó)外器件相比稍大；自研器件和國(guó)外器件的柵源漏電流沒有明顯差別。

在正壓高溫柵偏測(cè)試中，自研器件和國(guó)外器件的閾值電壓漂移分別為2.18V,2.40V以及3.98V和2.58V；自研器件和國(guó)外器件正向柵漏電流的變化幅度相當(dāng)，而反向柵漏電流較國(guó)外器件更為平穩(wěn)。

自研器件 A 和 B 的氮化氣體體積分?jǐn)?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(shí)，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(dāng)，鈍化界面缺陷的同時(shí)，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。