工業(yè)級(jí)SiC MOSFET的柵極氧化層可靠性

《工業(yè)級(jí)SiC MOSFET的柵極氧化層可靠性——偏壓溫度不穩(wěn)定性（BTI）》

在正常使用器件時(shí)，由于半導(dǎo)體-氧化層界面處缺陷的產(chǎn)生和/或充放電，SiC MOSFET的閾值電壓可能略有漂移。閾值電壓的漂移可能對(duì)器件的長期運(yùn)行產(chǎn)生明顯影響，具體取決于漂移量。由于這種漂移通常是向更大的電壓值偏移，因此會(huì)導(dǎo)致器件的導(dǎo)通電阻變大。這又導(dǎo)致?lián)p耗增加，以及散熱需求增大，從而可能縮短器件的使用壽命。因此，了解閾值電壓的行為并考慮它對(duì)設(shè)計(jì)余量的影響非常重要。

這種現(xiàn)象在Si技術(shù)中已非常常見，被稱之為“偏壓溫度不穩(wěn)定性”（BTI）?？紤]到SiC屬于寬禁帶半導(dǎo)體的事實(shí)，即，它不僅由硅（Si）而且由碳（C）原子組成，SiC/SiO2界面的特性相比Si/SiO2界面稍有不同。在SiC/SiO2界面存在位于更大能量范圍內(nèi)的其它點(diǎn)缺陷類型，它們必須通過其它的氧化后處理（比如，用氧化氮代替氮?dú)浠旌蠚夥胀嘶穑┻M(jìn)行鈍化。此外，由于SiC的帶隙較寬，在半導(dǎo)體與SiO2柵極氧化層之間更容易進(jìn)行載流子交換。這些差異自然又會(huì)使得SiC MOSFET的電氣特性和動(dòng)態(tài)漂移特性相比Si MOSFET稍有改變。

很多努力已經(jīng)付出在改善SiC MOSFET的性能上，但性能改善未必能帶來更好的器件可靠性。為保證器件特性長期穩(wěn)定，必須密切關(guān)注BTI這種漂移現(xiàn)象。在英飛凌，我們?cè)谧非笠涣髌骷阅艿耐瑫r(shí)，也在設(shè)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)異的器件可靠性。因此，我們開展了深入的研究，以期能夠深入地了解潛在效應(yīng)，評(píng)估BTI效應(yīng)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的影響，并制定出能夠盡可能地抑制BTI效應(yīng)的措施。

SiC MOSFET在恒定柵極偏壓條件下的

參數(shù)變化（DC BTI）

1、DC BTI簡介

DC BTI效應(yīng)不僅存在于SiC功率器件中，在硅（Si）技術(shù)中也很常見。當(dāng)在高溫條件下給Si或SiC MOSFET的柵極施加恒定的DC偏壓時(shí)，可以觀察到閾值電壓和導(dǎo)通電阻的變化。改變的幅度和極性取決于應(yīng)力條件（偏壓、時(shí)間、溫度）。施加正柵極偏壓應(yīng)力（PBTI）時(shí)，通?？梢杂^察到閾值電壓向更高的電壓偏移；而如果施加負(fù)柵極偏壓應(yīng)力（NBTI），閾值電壓則向相反的方向偏移。這種效應(yīng)是由SiC/SiO2或Si/SiO2界面處或附近的載流子捕獲引起的，可以通過優(yōu)化器件工藝控制在最低水平。為更好地了解和預(yù)測(cè)SiC MOSFET中的DC BTI，英飛凌對(duì)這個(gè)問題展開了深入的研究，重點(diǎn)了解它相比Si技術(shù)存在哪些不同。就Si MOSFET而言，英飛凌過去已經(jīng)對(duì)BTI有了扎實(shí)的了解，并且已與眾多著名高校一道為科學(xué)進(jìn)步作出了重大貢獻(xiàn)。已經(jīng)掌握的退化物理學(xué)和電氣測(cè)量技術(shù)知識(shí)，如今已被用于研究英飛凌的SiC器件。事實(shí)上，盡管材料特性不同，Si和SiC技術(shù)在DC BTI方面卻存在許多相似之處。然而，它們?cè)谟行┓矫嫒匀淮嬖诓煌?，在測(cè)量和評(píng)估特定應(yīng)用中的參數(shù)變化時(shí)必須考慮到這些不同。

2、測(cè)量SiC功率器件的DC BTI

由DC BTI引起的閾值電壓變化由兩個(gè)分量組成：一個(gè)是快速、可恢復(fù)的分量，另一個(gè)是準(zhǔn)永久（恢復(fù)很慢）的分量。準(zhǔn)永久分量決定器件的長期漂移量，而快速分量能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。

為了獲得可比較的漂移值，已制定測(cè)定BTI漂移的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如JESD22和它的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q101。這些標(biāo)準(zhǔn)都是以Si技術(shù)為基礎(chǔ)建立的，必須針對(duì)SiC技術(shù)進(jìn)行完善，如下所述。

圖6.以PBTI（脈沖BTI）應(yīng)力為例，典型的DC BTI MSM（測(cè)量-應(yīng)力-測(cè)量）序列。左圖顯示的是測(cè)量信號(hào)與時(shí)間的關(guān)系。右圖顯示的是閾值電壓漂移的恢復(fù)與時(shí)間的關(guān)系，旨在表明讀數(shù)延遲對(duì)提取的閾值電壓漂移的影響。即使讀數(shù)時(shí)間有很小的差異，提取的閾值電壓漂移也有很大不同。

測(cè)量DC BTI的傳統(tǒng)方法是以測(cè)量-應(yīng)力-測(cè)量（MSM）為順序，先反復(fù)地給柵極施加偏壓和溫度應(yīng)力，然后讀數(shù)，如圖6中的左圖所示。借助這種方法及合適的設(shè)備，以上所述的兩個(gè)漂移分量都能被測(cè)量出來。但是，獲得的閾值電壓漂移在很大程度上取決于讀數(shù)時(shí)間——即應(yīng)力階段與讀數(shù)階段之間的時(shí)間間隔，以及器件的狀況。從圖6中的右圖可以看出，閾值電壓漂移在應(yīng)力結(jié)束后以指數(shù)級(jí)速度恢復(fù)。于是，即使讀數(shù)時(shí)間有很小的差異——比如1ms vs. 100ms，提取的閾值電壓漂移也有很大不同。因此，這種簡單的方法存在的缺點(diǎn)是重現(xiàn)性差，且難以區(qū)分閾值電壓漂移中的完全可恢復(fù)的快速分量（滯后效應(yīng)）與更加依賴于應(yīng)用的準(zhǔn)永久分量。

因?yàn)檫@個(gè)原因，英飛凌建議使用改進(jìn)版的BTI測(cè)量序列，其中需要用到預(yù)處理脈沖，如圖7所示。以預(yù)處理過的PBTI為例，讀數(shù)階段包含累積脈沖、在固定電流電平下的一次讀數(shù)、反向脈沖和二次讀數(shù)。在所有序列都完成之后，即在二次讀數(shù)時(shí)，留下的主要是準(zhǔn)永久的BTI分量，它幾乎無法恢復(fù)或者恢復(fù)很慢。這意味著，預(yù)處理使得測(cè)量結(jié)果更容易被重現(xiàn)，更不易受到讀數(shù)延遲和器件狀況的影響，并允許正確地區(qū)分滯后效應(yīng)與漂移效應(yīng)。

圖7.預(yù)處理過的PBTI的測(cè)量序列。讀數(shù)階段包含累積脈沖、一次讀數(shù)、累積脈沖和二次讀數(shù)。二次讀數(shù)得到的是最穩(wěn)定的、可重現(xiàn)的結(jié)果。

同一個(gè)讀數(shù)階段中的一次讀數(shù)與二次讀數(shù)之差代表閾值電壓滯后現(xiàn)象。它隨時(shí)間發(fā)生的漂移表示產(chǎn)生了新的界面態(tài)。預(yù)處理脈沖模擬的是柵極在應(yīng)用中的開關(guān)過程，可將陷阱態(tài)轉(zhuǎn)化為預(yù)定的電荷態(tài)，從而減少讀數(shù)延遲與器件狀態(tài)的影響。

3、SiC和Si功率MOSFET的DC BTI比較

在以前發(fā)表的文章中，經(jīng)常是說SiC MOSFET的漂移量顯著高于Si功率器件。然而我們已經(jīng)證明，英飛凌的SiC功率MOSFET具有的NBTI漂移量（負(fù)BTI）很小，可與最先進(jìn)的Si 超結(jié)MOSFET器件相媲美（即使在給器件施加明顯的過應(yīng)力時(shí)）。這一結(jié)果是通過優(yōu)化器件工藝來實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)SiC，我們給出了幾種不同的工藝處理所帶來的不同結(jié)果，以證明通過優(yōu)化SiC/SiO2界面來改善或降低BTI的可能。

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負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性（NBTI）

英飛凌研究了在200°C和-25V的偏壓應(yīng)力下的NBTI漂移（圖8）。結(jié)果顯示，通過幾種工藝處理的改進(jìn)，英飛凌SiC MOSFET的NBTI漂移可以減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。在本試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)窗口中，最好的工藝改進(jìn)版本所得到的NBTI漂移量，與Si MOSFET處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。SiC MOSFET的漂移斜率甚至更小，表示隨著應(yīng)力施加時(shí)間的延長，它的漂移量將比Si MOSFET少。低NBTI是英飛凌SiC MOSFET器件的典型特征之一。

圖8.在200°C和-25V的偏壓應(yīng)力下，NBTI隨時(shí)間的變化。通過改進(jìn)處理工藝，英飛凌SiC MOSFET的總漂移量可被降到與同等的Si功率MOSFET類似的水平。

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正偏壓溫度不穩(wěn)定性（PBTI）

英飛凌研究了在200°C和+25V的偏壓應(yīng)力下的PBTI漂移（圖9）。結(jié)果顯示，Si和SiC的PBTI有許多相似之處，而只有少許差異。

圖9.在200°C和+25V的偏壓應(yīng)力下，PBTI隨時(shí)間的變化。取決于所用的技術(shù)和器件工藝，可以看到Si和SiC的PBTI隨時(shí)間發(fā)生的變化是一致的，但絕對(duì)閾值電壓漂移并不相同。SiC MOSFET的PBTI更大，但仍然位于100mV的范圍以內(nèi)。

事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)，SiC和Si功率MOSFET的PBTI隨時(shí)間發(fā)生的變化、電壓加速（圖10）和與溫度的關(guān)系都是一致的。

圖10.PBTI在200°C下的電壓加速。所有器件（無論是SiC還是Si技術(shù)）都顯示出相同的電壓加速，以及不同的絕對(duì)漂移。

剩余差異是絕對(duì)閾值電壓漂移的補(bǔ)償。通過優(yōu)化器件處理，我們?cè)俅螌?shí)現(xiàn)了漂移量降低一個(gè)數(shù)量級(jí)的目標(biāo)，從而使得漂移量在本試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)窗口中落在了100mV的范圍以內(nèi)。然而，在這些試驗(yàn)條件下，最好的SiC器件的漂移仍是參比的Si器件樣品的8倍左右。對(duì)于Si功率MOSFET，PBTI通常完全不是問題。所觀察到的漂移補(bǔ)償是SiC能帶結(jié)構(gòu)不同所導(dǎo)致的自然結(jié)果。

圖11.SiC/SiO2和Si/SiO2界面的能帶圖。這兩種技術(shù)的柵極氧化層中存在相同的陷阱分布。由于SiC的導(dǎo)帶底更高，所以相比Si，這一固有的陷阱能級(jí)更容易得到填充，這自然就使SiC的PBTI漂移更大——即使在假定SiO2的陷阱密度相同時(shí)。

圖11顯示的是SiC/SiO2和Si/SiO2界面的能帶圖，其中包含SiO2中靠近SiC導(dǎo)帶邊緣的一個(gè)已知的內(nèi)在氧化物陷阱能級(jí)。正如我們?cè)谥兴C明的，SiC導(dǎo)帶度更高使得電子更容易被捕獲到該陷阱能級(jí)中，這是SiC器件在被施加PBTI應(yīng)力后產(chǎn)生的漂移更大的主要原因。

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DC BTI漂移的建模

雖然DC BTI已經(jīng)得到廣泛的研究——尤其是Si技術(shù)的DC BTI，但目前還沒有被普遍認(rèn)可的物理漂移模型。然而，利用實(shí)證冪律或捕獲/釋放時(shí)間圖等經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，也可能進(jìn)行壽命終期漂移預(yù)測(cè)。我們的研究表明，為Si技術(shù)開發(fā)和驗(yàn)證的預(yù)測(cè)模型（簡化冪律和簡化熱激發(fā)模型），也能非常方便地用于英飛凌的SiC MOSFET。因此，SiC MOSFET的DC BTI漂移能向Si技術(shù)一樣進(jìn)行預(yù)測(cè)。

總結(jié)

SiC的DC BTI是嚴(yán)重影響器件可靠性的一個(gè)問題。因此，必須通過優(yōu)化器件工藝來將DC BTI降到最小，并利用合適的測(cè)量方法仔細(xì)地評(píng)估DC BTI。然而，因?yàn)槟苁蛊骷阅芨茫≧ON x A更?。┑墓に嚄l件，在NBTI或PBTI方面不一定就表現(xiàn)最好，所以必須采取謹(jǐn)慎的態(tài)度來對(duì)待DC BTI。英飛凌的SiC MOSFET具有優(yōu)異的器件性能，同時(shí)還擁有很小的NBTI，可與最先進(jìn)的Si功率MOSFET相媲美。SiC器件的PBTI由于帶隙更大而比Si技術(shù)略高，但仍位于100mV的范圍以內(nèi)。由于觀察發(fā)現(xiàn)SiC的PBTI與時(shí)間、溫度和偏壓的關(guān)系與Si技術(shù)類似，所以可以斷定它們對(duì)應(yīng)的潛在物理機(jī)制是一樣的，因此可以使用與Si技術(shù)相同的、同樣有預(yù)測(cè)能力的建模方法。

原文標(biāo)題：【跨年技術(shù)巨獻(xiàn)】SiC MOSFET在恒定柵極偏壓條件下的參數(shù)變化

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