3300V SiC MOSFET柵氧可靠性研究

摘要：碳化硅 SiC功率器件因其卓越的材料性能，表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，其中金屬-氧化物-場效應(yīng)晶體管 MOSFET是最重要的器件。3300 V SiC MOSFET 可應(yīng)用于軌道交通和智能電網(wǎng)等大功率領(lǐng)域，能顯著提高效率，降低裝置體積。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，對(duì)功率器件的可靠性要求很高，為此，針對(duì)自主研制的3300V SiC MOSFET 開展柵氧可靠性研究。首先，按照常規(guī)的評(píng)估技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了高溫柵偏 HTGB試驗(yàn)；其次，針對(duì)高壓SiC MOSFET 的特點(diǎn)進(jìn)行了漏源反偏時(shí)柵氧電熱應(yīng)力的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，在高壓 SiC MOSFET 中，漏源反偏時(shí)柵氧的電熱應(yīng)力較大，在設(shè)計(jì)及使用時(shí)應(yīng)尤為注意。

碳化硅 SiC（silicon carbide）功率器件因其卓越的材料優(yōu)勢(shì)，近年來得到迅速發(fā)展。高壓、高頻、高溫和高功率密度等器件特性，使其在高效電能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域有巨大的市場， 其中金屬-氧化物-場效應(yīng)晶體管MOSFET的發(fā)展最引人關(guān)注。目前中、低壓 SiC MOSFET已經(jīng)部分商業(yè)化，Cree、Rohm 和 Infineon 等公司先后推出了相關(guān)產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于電源、光伏和新能源汽車等領(lǐng)域。以 3300 V 為代表的高壓 SiC MOSFET 已經(jīng)出現(xiàn)樣品， 并逐步在軌道交通和機(jī)車牽引等領(lǐng)域展開試用，大幅提升了系統(tǒng)的效率，降低系統(tǒng)體積。

與 Si 功率器件相同，SiC MOSFET 按照溝道方向可以分為平面型 MOSFET 和溝槽型 MOSFET。平面型 MOSFET 工藝相對(duì)簡單，但 JFET 區(qū)域會(huì)存在夾斷效應(yīng)， 造成導(dǎo)通電阻增大；溝槽型MOSFET通過垂直溝道，解決了 JFET 區(qū)域電流夾斷的問題，降低了器件的導(dǎo)通電阻，同時(shí)縮小了芯片元胞結(jié)構(gòu)的尺寸，以實(shí)現(xiàn)更大的電流能力，但 SiC 溝槽的刻蝕及氧化工藝難度較大，且溝槽底部的電場尖峰較高，容易造成提前擊穿，需要進(jìn)行專門保護(hù)。

功率器件的可靠性是指在其工作邊界內(nèi)長期使用的壽命， 通過加速老化試驗(yàn)來進(jìn)行研究。SiC MOSFET 可靠性的研究主要集中在柵極氧化層方面，由于 SiC 材料由 Si 和 C 兩種原子組成，柵極氧化層時(shí)通過熱氧化， 將 Si 元素變成 SiO2，C 則轉(zhuǎn)化為 CO 或者 CO2 排出，C 元素如不能順利排出，則會(huì)使氧化層質(zhì)量下降， 造成器件可靠性下降。因此，SiC MOSFET 器件的柵氧可靠性問題是長期以來的研究熱點(diǎn)。

1. 3300 V SiC MOSFET

1.1 器件結(jié)構(gòu)

采用平面柵技術(shù)，基于中車時(shí)代電氣半導(dǎo)體有限公司的工藝平臺(tái)完成 3300V SiC MOSFET 芯片的制造，其元胞截面結(jié)構(gòu)見圖 1。其中，在外延層上通過離子注入工藝，依次形成 P 型基區(qū)與 N+重?fù)诫s區(qū)， 然后完成柵極和源極的圖形化。P 型基區(qū)中間的區(qū)域被稱為“JFET 區(qū)”，該區(qū)域的尺寸對(duì)芯片的電流能力有直接影響。設(shè)計(jì)中對(duì) JFET 區(qū)的寬度進(jìn)行了分組， 分別設(shè)置了 2.5、3.5 和 4.5 μm 3 種結(jié)構(gòu)。

1.2 參數(shù)性能

對(duì)完成制備的 3300V SiC MOSFET 器件，使用 Agilent B1505A 進(jìn)行擊穿特性、閾值特性和輸出特性的測試，測試結(jié)果如圖 2 所示。

從測試結(jié)果來看， 器件在 3000V 電壓下漏電流 IDSS<1 μA，JFET 寬度為 4.5 μm 結(jié)構(gòu)漏電流略大；器件的閾值電壓 Vth≈2.5 V，與設(shè)計(jì)無相關(guān)性；器件的漏極電流 IDS 與 JFET 關(guān)系很大，在 VGS=20 V、VDS=2V 時(shí)，3 種結(jié)構(gòu)的漏極電流 IDS 依次為 8、7 和 5.0 A。

2.高溫柵偏試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)過程

高溫柵偏 HTGB（high temperature gate bias）試驗(yàn)主要是對(duì)器件柵氧可靠性的考核，用于表征柵氧的質(zhì)量及壽命等。挑選 6 只不同結(jié)構(gòu)的 3300V SiC MOSFET 按照如下條件進(jìn)行試驗(yàn)：Ta=150 ℃，VDS=0 V，VGS=20 V，t=168 h。器件在 HTGB 試驗(yàn)過程中， 柵極漏電 IGSS 的監(jiān)控結(jié)果如圖 3 所示。從監(jiān)控結(jié)果來看，考核過程中器件柵極漏電 IGSS 穩(wěn)定，且小于 0.3 nA，未出現(xiàn)失效。

2.2 考核分析

對(duì)被考核的器件依次進(jìn)行擊穿特性、閾值特性和輸出特性的測試， 并與考核前測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?？己饲昂蟮钠骷?shù)對(duì)比結(jié)果如圖 4 所示。

圖 4 中，在考核后的擊穿電壓測試中，被測 6只器件，有 3 只發(fā)生失效，擊穿電壓變?yōu)?0 V；失效器件的閾值特性與合格器件出現(xiàn)明顯差異，閾值曲線變軟，如圖 4（b）所示；而輸出特性與合格器件未發(fā)現(xiàn)明顯區(qū)別。結(jié)合圖 3 的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在考核過程中器件柵極漏電流小于 0.3 nA，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)正常。因此，失效應(yīng)該是發(fā)生在 HTGB 試驗(yàn)后擊穿電壓測試階段，在器件承受反向較高的偏壓時(shí)，柵氧化層被擊穿，造成柵源穿通，導(dǎo)致閾值電壓異常。

3.反偏柵應(yīng)力試驗(yàn)

針對(duì)擊穿特性評(píng)估中，出現(xiàn)柵氧的失效問題，基于 3300V SiC MOSFET 開展進(jìn)一步研究，以評(píng)估高壓 SiC MOSFET 器件在反偏時(shí)柵氧的電應(yīng)力問題。

3.1 試驗(yàn)原理

在 MOSFET 擊穿電壓測試時(shí)， 漏極加高壓，源極與柵極短接接地， 實(shí)際存在漏源和漏柵 2 個(gè)漏電通道。漏源之間的漏電流 IDS 實(shí)際是 PN 結(jié)漏電流；漏柵之間的漏電流 IDG 實(shí)際是 MOSFET 器件在承受反偏電壓時(shí)柵氧的漏電流。圖 5 為該試驗(yàn)的原理，通過 R1 和 R2 分別記錄漏柵電流 IDG 與漏源電流 IDS。

3.2 試驗(yàn)條件

挑選 JFET 寬度為 2.5 μm 器件 2 只、JFET 寬度為 3.5 μm 器件 6 只、JFET 寬度為 4.5 μm 器件 2 只，共 10 只器件進(jìn)行試驗(yàn)，測試條件如下。

條件 1：Ta=150 ℃，VCC=30 V，t=30 min；

條件 2：Ta=150 ℃，VCC =1 500 V，t=60 min；

條件 3：Ta=150 ℃，VCC=2 000 V，t=120 min；

條件 4：Ta=175 ℃，VCC=2 000 V，t=60 min。

記錄漏源之間漏電流 IDS 和漏柵之間漏電流 IDG。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖 6 為漏源之間漏電流 IDS 和漏柵之間漏電流IDG 的試驗(yàn)結(jié)果。不同設(shè)計(jì)器件的 IDS 和 IDG 漏電與考核中電熱應(yīng)力的關(guān)系如表 1 所示。

從圖 6 及表 1 可以看出， 對(duì)于 3 種不同 JFET寬度設(shè)計(jì)的 3300V SiC MOSFET。

（1）漏源之間的漏電流 IDS，主要是 PN 結(jié)漏電，隨著 VCC 的增大及溫度的升高而增大；不同器件的漏電有差別，受終端保護(hù)環(huán)設(shè)計(jì)、材料缺陷等影響較大，與 JFET 寬度設(shè)計(jì)無關(guān)。

（2）漏柵之間的漏電流 IDG，主要是柵氧的漏電流， 會(huì)隨著溫度的升高及柵氧電應(yīng)力的增大而增大。在本次試驗(yàn)中， 未直接給柵極施加電應(yīng)力，但I(xiàn)DG 隨著漏源之間耐壓 VDS 的增大而增大，并且表現(xiàn)出與 JFET 寬度的相關(guān)性，JFET 寬度越寬， 該漏電越大。在 VDS=2000 V，Ta=175 ℃時(shí)，該漏電已達(dá)到50 nA，說明此時(shí)柵氧承受著很大的柵應(yīng)力。

3.4 仿真驗(yàn)證

SiC MOSFET 器件在承受漏源耐壓時(shí)， 如圖7所示， 正面的 P 型基區(qū)/N 型漂移層結(jié)擴(kuò)展以承受電壓。隨著反向耐壓的增大，耗盡層（圖 7 中虛線）會(huì)繼續(xù)往垂直方向擴(kuò)展。與此同時(shí)在器件橫向方面，同樣會(huì)存在電場擴(kuò)展，造成 A 點(diǎn)的電勢(shì)升高。

借助 TCAD Sentaurus 仿真軟件，對(duì)漏源耐壓為2 000 V 時(shí)， 不同 JFET 寬度中柵氧下 0.01 μm 處的電勢(shì)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖 8 所示，其中 X 表示沿著溝道方向的橫向距離，Y 表示柵氧下 0.01 μm 處。3 種JFET 寬度下，A 點(diǎn)（JFET 區(qū)中心點(diǎn)，柵氧下 0.01 μm處）的電勢(shì)分別達(dá)到 17.5、22.1 和 25 V。JFET 越寬，該點(diǎn)的電勢(shì)越高，這也能夠證明圖 6 中的試驗(yàn)結(jié)果。

4.結(jié)語

通過對(duì)3300V SiC MOSFET 柵氧可靠性的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)不同芯片設(shè)計(jì)中，柵氧在 MOSFET 器件承受反偏電壓時(shí)所承受的應(yīng)力不同。該電應(yīng)力隨著反偏電壓的增大及溫度的升高而增大。針對(duì)這種現(xiàn)象，在高壓 SiC MOSFET 器件可靠性評(píng)估中應(yīng)額外考慮；此外，需要在設(shè)計(jì)及應(yīng)用中對(duì)該隱患加以重視。

來源：變流與逆變技術(shù)

審核編輯：湯梓紅