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(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)間延長呈增大趨勢(shì)，測(cè)試均約為10nA,自研器件與國外相同規(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(cè)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(dāng)，而反向柵漏電流較國外器件更為平穩(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。