已發(fā)表的文章

本章節(jié)將簡(jiǎn)要介紹安森美(onsemi)近期正在進(jìn)行的研究。參考文獻(xiàn)部分列出了相關(guān)出版物，可為讀者提供希望獲取的所有細(xì)節(jié)，以便更深入地了解這些技術(shù)主題。

偏置溫度不穩(wěn)定性 (BTI)

眾所周知，BTI是硅器件的退化模式，由于在半導(dǎo)體/氧化物界面或附近產(chǎn)生陷阱或陷阱電荷，MOSFET的閾值電壓漂移，最終導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增加的不利影響。SiC MOSFET也受到影響，而且需要應(yīng)對(duì)寬帶隙材料，這使得研究工作更加復(fù)雜。在直流模式和開關(guān)模式下，都需要充分了解材料的行為。

多年來，安森美一直將SiC/SiO₂界面表征及其本征可靠性評(píng)估作為工作重點(diǎn)之一，并建立了一個(gè)研究網(wǎng)絡(luò)，通過選定的研究合作伙伴和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，研究和改善界面狀態(tài)和遷移率(見圖4)。

通過使用高溫(正和負(fù))柵極偏置應(yīng)力，對(duì)封裝后的器件進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)的靜態(tài)BTI評(píng)估，包括應(yīng)力后電氣參數(shù)的漂移分析。動(dòng)態(tài) BTI評(píng)估則需要更全面的方法。安森美投入相應(yīng)資源來研究超快速偏置溫度不穩(wěn)定性(UF-BTI)，并對(duì)施加正(PBTI)或負(fù)(NBTI)柵極應(yīng)力(或兩者)時(shí)的閾值電壓(V_th)漂移進(jìn)行測(cè)量和建模，如圖10所示。

圖10 用于研究SiC MOSFET上超快速BTI的應(yīng)力/測(cè)量/發(fā)射序列示意圖

在PBTI期間，“視在”V_th將漂移到更高的電壓(由于電子俘獲)，而在NBTI期間，“視在”V_th將漂移到更低的電壓(由于電子發(fā)射或空穴俘獲)。PBTI具有一個(gè)長(zhǎng)久可恢復(fù)分量，而NBTI只是部分可恢復(fù)。

傳統(tǒng)的I_DV_G表征方案無法捕獲快速分量。但在典型開關(guān)應(yīng)用中(100 kHz，即大約5到10 秒)，快速BTI分量將占主導(dǎo)地位，有可能成為潛在的應(yīng)用障礙。

安森美收集的數(shù)據(jù)低至秒級(jí)范圍，并且覆蓋了廣闊的溫度范圍，包括低溫。

圖11 V_G = +10 V的PBTI期間和后續(xù)恢復(fù)期間

V_th漂移與時(shí)間和溫度的函數(shù)關(guān)系

圖12 Vg = -10 V的NBTI期間和后續(xù)恢復(fù)期間

Vth漂移與時(shí)間和溫度的函數(shù)關(guān)系

具體步驟如下：

◆提取俘獲發(fā)射時(shí)間(CET)圖(V_th漂移由俘獲的電荷引起，分布在能量和空間中)。圖11顯示了在10 V PBTI應(yīng)力條件下，V_th在應(yīng)力期間和后續(xù)恢復(fù)期間的漂移，圖12則為-10 V NBTI應(yīng)力下

◆Vth漂移的直流和交流建模(快速BTI分量用于應(yīng)用，慢速BTI分量用于長(zhǎng)期本征可靠性）

◆提取物理模型(缺陷類型、能量和深度)，如圖13所示

◆預(yù)測(cè)實(shí)際應(yīng)用要求下的壽命。

圖13 在NBTI和PBTI(使用Comphy模型)之后擬合絕對(duì)Vth漂移

從而可提取陷阱分布

低溫UF-BTI研究結(jié)果已在ISPSD2022上發(fā)表[4]。

體二極管退化

SiC MOSFET中的體二極管應(yīng)力引起的雙極退化會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增加，這是由正向偏置時(shí)流經(jīng)體二極管的電流觸發(fā)的。這種退化有時(shí)也會(huì)報(bào)告為正向電壓漂移或關(guān)斷狀態(tài)的泄漏增加。圖14描述了該測(cè)試程序，而圖15則顯示了脈沖測(cè)量期間的正向壓降VF和電流ID。

圖14雙極退化測(cè)試程序

圖15 在250、300和350 A 且VGS = -5 V時(shí)的脈沖電流測(cè)量期間

測(cè)得的體二極管瞬態(tài)正向壓降VF和電流ID

安森美評(píng)估了這種退化機(jī)制——最近在ECSCRM2021 [2]上發(fā)表了一項(xiàng)研究結(jié)果，對(duì)SiC MOSFET裸片中的BPD進(jìn)行獨(dú)立映射[CX1]，以建立體二極管應(yīng)力后的RDSon漂移與器件中BPD數(shù)量之間的相關(guān)性。RDSon和VF漂移隨器件中BPD數(shù)量的增加而明顯增加。然而，必須使用極高的電流密度(J > 1600 A/cm2)才能觀察到無BPD時(shí)MOSFET的顯著退化(圖16)。

圖16 1700 V 25 mΩ SiC MOSFET上的RDSon和VF漂移與BPD數(shù)量以及電流的關(guān)系

體二極管應(yīng)力為100 萬個(gè)50 秒的長(zhǎng)脈沖

安森美針對(duì)所有SiC技術(shù)節(jié)點(diǎn)實(shí)施了以下措施：

◆實(shí)行目檢，對(duì)每個(gè)生產(chǎn)晶圓進(jìn)行全面的基晶面位錯(cuò)(BPD)掃描

◆采用高摻雜的外延緩沖層，將限制BPD堆垛層錯(cuò)的發(fā)展

◆最后，對(duì)最大電流密度的設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行了定義，將其保持在每個(gè)MOSFET的安全工作區(qū)域內(nèi)。

由于綜合考慮了這三個(gè)因素，可以認(rèn)為，安森美SiC MOSFET技術(shù)在高達(dá)1200 V時(shí)不受體二極管退化效應(yīng)的影響。

動(dòng)態(tài)應(yīng)力

動(dòng)態(tài)條件下的退化是與寬帶隙材料相關(guān)的問題之一。安森美已在內(nèi)部開發(fā)的測(cè)試臺(tái)上開展動(dòng)態(tài)應(yīng)力研究(樣本量有限)。下面我們介紹一個(gè)室溫動(dòng)態(tài)柵極應(yīng)力測(cè)試的示例。

關(guān)于較大樣本量(例如三個(gè)批次，每批次80 件)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試，目前正在開發(fā)(內(nèi)部開發(fā)以及與設(shè)備供應(yīng)商合作開發(fā))相應(yīng)解決方案。

室溫動(dòng)態(tài)柵極應(yīng)力：在T = 25℃、V_DS = 0 V條件下，使用在-8 V 和20 V之間切換、占空比為50%的柵極驅(qū)動(dòng)器，實(shí)施瞬態(tài)且無過沖的V_GS應(yīng)力[3]。

圖17 安森美的商用1200 V 80 mΩ SiC MOSFET和其他三個(gè)制造商的1200 V SiC MOSFET產(chǎn)品的V_th漂移和歸一化R_DSon漂移

在不同的時(shí)間間隔后中斷應(yīng)力測(cè)量，以運(yùn)行由V_th和R_DSon組成的測(cè)試程序。圖17顯示了安森美的商用1200 V 80 mΩ SiC MOSFET以及其他三個(gè)制造商的1200 V SiC MOSFET產(chǎn)品的V_th漂移和歸一化R_DSon漂移(其中兩個(gè)制造商的V_GS = -8 V，超出了數(shù)據(jù)手冊(cè)的額定值)。

總結(jié)

如本白皮書所述，安森美開發(fā)了一套全面的跨部門合作方案來評(píng)估SiC產(chǎn)品，高效且可靠地將其投放于市場(chǎng)。

縝密的設(shè)計(jì)方法、嚴(yán)格的生產(chǎn)監(jiān)控、制造控制、充分的篩選和穩(wěn)健的認(rèn)證計(jì)劃相結(jié)合，為SiC產(chǎn)品的穩(wěn)定與可靠奠定了基礎(chǔ)。

本文簡(jiǎn)要介紹了一些SiC器件所特有的挑戰(zhàn)，進(jìn)而引述了安森美對(duì)其進(jìn)行表征和建模的方法。

我們已發(fā)表的文章提供了安森美正在進(jìn)行的物理參數(shù)研究（欲了解最新研究成果，請(qǐng)閱讀參考文獻(xiàn)）。

參考文獻(xiàn)

[1]

SiC 柵極氧化物壽命提取和建模的充電擊穿 (QBD) 方法——P. Moens¹、J. Franchi¹、J. Lettens¹、L. De Schepper¹、M. Domeij¹ 和 F. Allerstam¹——¹安森美——ISPSD 2020

[2]

1700 V SiC MOSFET 的脈沖正向偏置體二極管應(yīng)力與基晶面位錯(cuò)的獨(dú)立映射——S. Kochoska¹、M. Domeij¹、S. Sunkari¹、J. Justice¹、H. Das¹、H. Lee¹, X.Q.Hu¹ 和 T. Neyer¹——¹安森美——ECSCRM 2021

[3]

平面型 SiC MOS 技術(shù)的柵極氧化層可靠性和 V_th 穩(wěn)定性——M. Domeij¹、J. Franchi¹、S. Maslougkas¹、P. Moens¹、J. Lettens¹、J. Choi¹ 和 F. Allerstam¹——¹安森美——ECSCRM 2021

[4]

碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的低溫超快偏置溫度不穩(wěn)定性陷阱分析——F. Geenen¹、F. Masin²、A. Stockman¹、C. De Santi²、J. Lettens¹、D. Waldhoer³、M. Meneghini²、T. Grasser³ 和 P. Moens¹——¹安森美比利時(shí)；²意大利帕多瓦大學(xué)；³奧地利維也納理工大學(xué)——ISPSD 2022

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