AEC---SiC MOSFET 高溫柵氧可靠性研究

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

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%。自研器件之所以占主導地位，是因為SiC/SiO2接口中引入適量氮元素鈍化接口缺陷，同時降低快接口態生成，從而使得整個接口態密度最小。

引言：SiC 是一種非常優秀的半導體材料，擁有優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]。

隨著半導體技術的不斷發展,Si基功率半導體器件已經接近了它的物理極限,SiC功率器件在軌道交通，智能汽車，開關電源以及工業電機等方面都有了迅速的發展與應用[3]。SiC功率器件中SiC功率MOSFET開關一直是國內外產業界與學術界關注的焦點與熱點[4]。SiC MOSFET的柵介質及溝道界面對器件性能和可靠性有影響[5]。該文主要就自研SiC MOSFET及國外公司SiC MOSFET器件高溫可靠性試驗進行了分析。

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密度[6]。高密度的界面態會影響 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倫散射減小載流子遷移率從而影響SiC MOSFET電流能力、跨導以及其他性能；界面態電荷陷阱捕獲并釋放載流子使器件打開與關閉時SiC MOSFET閾值電壓漂移[8]。柵氧化層及界面態電荷陷阱增加了高電場中SiC MOSFET的隧穿電流并加大了漏電流，擊穿柵氧介質而造成器件失效。

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。高溫柵偏試驗就是模擬SiC MOSFET導通狀態下的運行狀態，使被測樣品長期連續地維持在高溫高柵壓應力狀態下來考核，再對待測樣品進行電學測試以監測漏電流、閾值電壓等電學參數，通過改變電學參數評價待測器件的可靠性的一種評價手段[9]。高溫柵偏測試是評價SiC MOSFET器件可靠度的一項重要測試，旨在證實與晶體缺陷相關柵極氧化膜的可靠度，在評價柵氧化層穩定性方面起著至關重要的作用。

高溫柵偏試驗有正向高溫柵偏試驗與負向高溫柵偏試驗兩種。正向高溫柵偏實驗時柵極長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致閾值升高。負向高溫柵偏實驗中柵極長期受直流負偏壓作用而俘獲空穴并降低閾值。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、近界面態會隨著偏壓應力的累積發生俘獲和運動[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、導通電阻等發生變化，甚至使器件失效。

SiC MOSFET 高溫柵偏試驗

一、 試驗原理

高溫柵偏試驗是將柵極偏置與高溫應力同時作用于MOSFET器件柵氧化層上，從而對其可靠性進行評價。本考核試驗是參照IEC60747-8的標準來評價器件的性能。測試電路圖見圖1.通過比較SiC MOSEFT裝置高溫柵偏測試前和測試后閾值電壓VTH和柵漏電流IGSS來研究裝置高溫偏壓時的可靠性。

二、 試驗過程

樣品信息：A、B 是自主研制的不同柵氧條件的 SiC MOSFET，R、C 是國外同規格器件。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：

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 后進行器件靜態特性對比測試。

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

通過比較測試前后閾值電壓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價依據。

三、試驗結果及分析

1、負壓 HTGB 試驗

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:

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。

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前后的試驗結果。

從圖 3 可以看出對于四種不同的 SiC MOSFET 器件：

正向柵源漏電流隨著偏壓時間延長呈增大趨勢，測試均約為10nA,自研器件與國外相同規格器件無顯著差異；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

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:

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于國外同規格的器件。

自研的器件A和B經過測試24小時后重新測量，閾值電壓恢復量約為0.2V；國外同規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的閾值穩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，經過正向 HTGB 試驗：

正向柵源漏電流在正向高溫柵偏試驗后均呈現變小的趨勢,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外同等規格的器件。

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，氮化氣體的體積分數分別為 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，鈍化界面態從而降低表面的界面態。然而，一些文獻指出當引入氮原子個數過多時，引入N原子和C有關缺陷等組合會在界面處產生空穴陷阱而無法最大限度地降低界面態密度[10-11]。其中東京大學及范德比爾特大學均做過有關研究，東京大學注意到界面N含量正比于快界面態密度，美國范德比爾特大學Rozen等證明SiC/SiO2及Si/SiO2界面系統氮化退火，退火后半導體-SiO2界面以及近界面空穴陷阱密度與N含量呈線性關系，且N含量越高空穴陷阱密度越大。

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-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。從P-F隧穿電流隧穿機理來看，第一階段空穴經過隧穿過程進入SiO2內部陷阱能級，第二階段再經過熱激發傳遞至氧化層，陷阱能級對其有重要影響。綜合以上所述退火條件下界面密度變化情況，可分析認為樣品B退火條件在界面處引入適當N原子，當鈍化界面缺陷時，產生的界面空穴陷阱減少，使得界面上缺陷總數量減少，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。

結論

文中開展了自研器件與國外相同規格器件正，負壓高溫柵偏實驗，通過觀察實驗前后閾值電壓，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。

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

自研器件 A 和 B 的氮化氣體體積分數分別是 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，快界面態的產生過多，界面態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，減少了快界面態的產生，使總的界面態密度被降到最低。