意法半導(dǎo)體和CNR-IMM加強(qiáng)深入合作

意法半導(dǎo)體是本年度IRPS研討會(huì)的金牌贊助方。我們發(fā)表了三篇論文、三張海報(bào)、以及一份教程。此外，盡管我們預(yù)先錄制了大多數(shù)演示內(nèi)容，我們的代表也會(huì)出現(xiàn)在會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)，以便更好地參與關(guān)于可靠性的當(dāng)前討論。

簡(jiǎn)而言之，該研究揭示了最新發(fā)現(xiàn)的某些缺陷與碳化硅功率器件可行性之間的關(guān)系。它是意法半導(dǎo)體與意大利國(guó)家研究委員會(huì)（Consiglio Nazionale delle Ricerche- Istituto per la Microelettronica e Microsistemi或CNR-IMM）微電子和微系統(tǒng)研究所共同努力的成果。兩支團(tuán)隊(duì)在意法半導(dǎo)體的意大利卡塔尼亞工廠，共同研究碳化硅和氮化鎵等技術(shù)。因此，讓我們探究他/她們?nèi)绾螌?xiě)出這篇獲獎(jiǎng)?wù)撐?，以及這項(xiàng)研究成果如何影響意法半導(dǎo)體目前正在開(kāi)發(fā)的下一代SiC功率器件。

失效4H-SiC晶片

為什么談?wù)?H-SiC？

研究論文指出了兩種缺陷：短期缺陷和長(zhǎng)期缺陷。首先，最嚴(yán)重情況是類型，因?yàn)樗鼜囊婚_(kāi)始就是失效。這篇論文的獨(dú)特之處在于，它首次揭示了4H-SiC中晶體缺陷和故障率之間的直接關(guān)系。正如我們?cè)陉P(guān)于汽車用碳化硅器件的博文中所看到的，4H-SiC因其物理特性而深受歡迎。它具有比6H-SiC更出色的電子遷移率（947cm2/Vs），但比3C-SiC更容易制造，因?yàn)槠湓咏Y(jié)構(gòu)是四個(gè)雙原子層密排成六邊形晶格。

是什么導(dǎo)致這一發(fā)現(xiàn)？

作者解釋了他/她們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)原子力顯微技術(shù)和橫截面（使用掃描電子顯微鏡）來(lái)觀察。他/她們發(fā)現(xiàn)了一種晶狀沉淀物，或者通俗地說(shuō)，這是一種看起來(lái)像“巖石”的結(jié)構(gòu)，位于外延層的底部，高度約為1.90μm。簡(jiǎn)而言之，作者們想要了解為什么這些器件“送達(dá)時(shí)已無(wú)用”，這促使他們進(jìn)行了更深入的研究，從而發(fā)現(xiàn)了晶狀沉淀物和缺陷率之間的新關(guān)系。因此，意法半導(dǎo)體和CNR-IMM的論文獲得了該獎(jiǎng)項(xiàng)，因?yàn)樗砸环N新的方式探索了SiC晶片。

這一發(fā)現(xiàn)的意義是什么？

自本論文發(fā)表以來(lái)，意法半導(dǎo)體明白要對(duì)我們4H-SiC器件的外延反應(yīng)腔和制造工藝進(jìn)行優(yōu)化。因此，該研究展示了探究4H-SiC器件背后物理學(xué)原理的強(qiáng)烈愿望如何影響實(shí)際應(yīng)用。事實(shí)上，這些研究成果可以幫助意法半導(dǎo)體提高產(chǎn)量，制造出更加經(jīng)濟(jì)劃算且使用壽命更持久的元器件。反過(guò)來(lái)，我們可以期待4H-SiC功率MOSFET進(jìn)入更多的市場(chǎng)和應(yīng)用場(chǎng)景，從而幫助提高能源效率。因?yàn)槲覀兊纳鐣?huì)面臨能源危機(jī)和環(huán)境挑戰(zhàn)，設(shè)法積極優(yōu)化產(chǎn)品的能耗仍然是一個(gè)非常重要的目標(biāo)。

剩余4H-SiC晶片的應(yīng)力測(cè)試

高溫柵極偏壓應(yīng)力測(cè)試揭示了什么？

一旦研究人員篩選出晶片樣本，他/她們會(huì)將功能正常的樣本放入封裝中，并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。第一個(gè)挑戰(zhàn)是高溫柵極偏壓應(yīng)力，它提高了柵極氧化層的電場(chǎng)。科技人員反復(fù)測(cè)試這些器件是為了監(jiān)測(cè)它們?cè)谡－h(huán)境和惡劣條件下的表現(xiàn)。有趣的是，他/她們注意到一些器件在3 MV/cm時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)異常表現(xiàn)。為了找到該現(xiàn)象發(fā)生的原因，他/她們運(yùn)用原子力顯微鏡檢查了有問(wèn)題的晶片，發(fā)現(xiàn)柵極氧化層存尺寸為20- 30 nm的凸起。

該發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著一次重大進(jìn)展，幫助人們挑選那些乍看起來(lái)工作正常，其實(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中幾乎不可能發(fā)現(xiàn)的缺陷的元器件。研究論文不僅解釋了器件出現(xiàn)異常柵極導(dǎo)通現(xiàn)象的原因，還表明了高溫柵極偏置測(cè)試的重要性。該研究成果將有助于晶圓廠更好地監(jiān)控其碳化硅元器件的品質(zhì)。

高溫反向偏置揭示了什么？

第一次應(yīng)力測(cè)試后，晶片進(jìn)行了另一項(xiàng)試驗(yàn)：高溫反向偏置測(cè)試。該基準(zhǔn)測(cè)試持續(xù)了三個(gè)月，足以模擬幾十年的正常使用。簡(jiǎn)言之，它幫助作者確定所有器件在其整個(gè)生命周期中是否都能工作正常。98%的器件工作正常，但另外2%的器件顯示出異常情況，柵極電流比正常值高7倍。在實(shí)際應(yīng)用中，這種現(xiàn)象代表嚴(yán)重故障。挑戰(zhàn)在于，這種被稱為“沉默殺手”的缺陷雖然一直存在，卻只有在正常使用多年后才會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。

作者首先使用了掃描電子顯微鏡來(lái)探尋問(wèn)題出在何處，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何異常。于是，他/她們改用透射電子顯微鏡，從而發(fā)現(xiàn)柵極絕緣體下的半導(dǎo)體中存在缺陷。為了進(jìn)一步了解這一缺陷，作者使用了原子力顯微鏡，該設(shè)備幫助他/她們發(fā)現(xiàn)一個(gè)高度在18nm - 30 nm之間的三角形缺陷，具體高度取決于應(yīng)力測(cè)試的持續(xù)時(shí)間。此時(shí)，他/她們明白這是從基板到外延層的穿透差排。因此，他們使用掃描式電容顯微鏡來(lái)顯示對(duì)MOSFET器件的物理影響，并解釋其出錯(cuò)的電氣原因。

科技人員使用了如此多的研究技術(shù)，所以他/她們才能明白問(wèn)題之所在。簡(jiǎn)單地說(shuō)，穿透差排影響4H-SiC器件的價(jià)電子帶，使其帶隙明顯收縮。正如我們?cè)诓┪闹卸啻慰吹降?，SiC的寬帶隙是器件具有卓越電氣性能的原因。因此，任何導(dǎo)致帶隙收縮的因素都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。在這種情況下，價(jià)電子帶增加了約0.8eV-1 eV，非常明顯。相比之下，SiC的帶隙范圍在2.3 eV-3.3 eV之間，4H-SiC的帶隙為3.23 eV。

人員合作取得了什么成就？人員合作為什么重要？

作者能夠使用如此多的研究工具，直接得益于意法半導(dǎo)體和CNR-IMM之間的牢固和深入的合作。因此，除了科學(xué)成就，IRPS2021年度最佳論文獎(jiǎng)也是對(duì)這一人們重大發(fā)現(xiàn)的回報(bào)。意法半導(dǎo)體和CNR-IMM進(jìn)行了多年互動(dòng)，均擁有為行業(yè)發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)的愿望，雙方共享的不僅僅是辦公空間。因此，我們希望通過(guò)本文分享的經(jīng)驗(yàn)是與研究機(jī)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)室等合作的重要性。與附近的大學(xué)增強(qiáng)合作。聯(lián)系研究人員，看看能開(kāi)展哪些合作。合作可能帶來(lái)新發(fā)現(xiàn)，揭開(kāi)未解之謎。