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电源学报•热点论文
研究背景
重点内容
1、栅氧可靠性问题形成的原因
由于SiC MOSFET热氧化过程中碳簇等缺陷的形成，导致SiC/SiO2界面存在大量缺陷电荷，图1显示了SiC/SiO2界面处的主要缺陷类型，界面缺陷电荷分为可移动电荷、固定氧化层电荷、氧化层陷阱电荷、近界面氧化层陷阱电荷和界面电荷。可移动电荷会在高温高电场下发生迁移，影响阈值电压的漂移；固定氧化层电荷无法与衬底进行电荷交换，只有进行低温退火可有效降低固定电荷密度；氧化层陷阱电荷位于栅氧化层体内，具有较大的捕获和释放时间常数，主要影响SiC MOSFET阈值电压的长期稳定性及栅氧可靠性；界面电荷和近界面陷阱电荷会捕获电子和空穴，造成阈值电压漂移，氧化层陷阱电荷在高温、高电场下捕获电子和空穴，造成器件栅氧泄漏电流的增大和阈值电压永久性漂移。
图1 SiC MOS结构主要电荷示意
2、栅氧可靠性评估方法
2.1 经时击穿TDDB
TDDB寿命预测可分为恒定电压(电流)TDDB和斜坡电压(电流)TDDB，其中恒定电压法常通过施加1个低于氧化物击穿电压的恒定电压来预测器件的栅氧寿命，而斜坡电压法常用于获得栅极泄漏电流的变化趋势和提取栅氧化物击穿电场。恒定电压法可以获得不同栅压和温度条件下SiC MOSFET的失效时间，并通过威布尔分布统计来评估器件的栅氧质量，并进一步推测出栅氧化层的使用寿命。
2.2 高温栅偏HTGB
HTGB常被用于评估SiC MOSFET栅氧化层的静态特性退化特性，主要包括阈值电压Vth、导通电阻和栅泄漏电流。由于SiC/SiO2界面较高的缺陷密度，HTGB测试会导致器件发生漂移，这被称为阈值电压不稳定性BTI(bias temperature instability)。图2为不同栅偏置条件下SiC/SiO2结构的能带：负栅压下，能带向上弯曲，栅氧化层中空穴被捕获，Vth负漂，称为负偏置温度不稳定性NBTI(negative BTI)；正栅压下，能带向下弯曲，栅氧化层中电子被捕获，Vth正漂，称为正偏置温度不稳定性PBTI(positive BTI)。漂移与施加栅应力时间成幂律关系，随着应力时间延长，栅氧缺陷捕获电荷越多，漂移更显著。
图2 SiC/SiO2界面不同栅压下的能带示意
2.3 高温交流栅应力AC-HTGS
AC-HTGS主要评估SiC MOSFET动态栅应力下的静态参数退化。AC-HTGS中漂移由开关时栅氧化层的局部电场决定，而总电场可分为栅氧化层电场和SiC/SiO2界面局部电场，在器件开关瞬间由于局部电场的增强从而加速了电子和空穴的捕获，并随着开关次数的增多，更多的电子和空穴被捕获进氧化层中，一部分发生复合，一部分被陷阱捕获留在SiO₂中，最终导致Vth正漂，并且AC-HTGS下的Vth漂移最终会饱和，不会造成器件栅氧化层的击穿。
3、极端工况下的栅氧可靠性
3.1 重复短路
重复短路应力下SiC MOSFET会受到高压大电流的冲击，造成器件栅氧可靠性降低，且栅氧界面陷阱电荷增多导致的Vth漂移是重复短路应力下栅氧退化的主要机制。平面型和沟槽型器件在受到不同栅压短路应力时栅氧电场的变化如图3所示：当开态栅压为10 V时，栅氧化层倾向于对空穴的捕获，高漏压会使JFET和部分沟道区发生碰撞电离并产生电子-空穴对，栅氧在漏压施加的电场下捕获空穴，使得Vth负漂；当开态栅压为20 V时，沟道区的电子捕获成为Vth正漂的主要原因，这表明在不同开态栅压下栅氧承受的电场方向不同。
图3 当Vg,on=10、20 V时器件A和器件B单次SC试验中碰撞离子产生率和垂直电场分布
3.2 重复非钳位感性负载开关
在SiC MOSFET受到重复UIS应力下，电流主要从SiC MOSFET体二极管流出，TCAD 数值模拟表明UIS过程中JFET区域碰撞电离率和垂直电场达到峰值，在较大漏极电压下JFET区由于高电场发生碰撞电离而产生空穴被注入上方栅氧化层中，这是导致重复UIS下栅极氧化层退化的主要机制。平面型SiC MOSFET经受重复UIS应力后栅氧在不同区域的退化趋势如图4所示：Cg-Vg曲线结果显示在II区域曲线无显著变化，而在Ⅲ和Ⅳ区域Cg-Vg曲线负漂，进一步验证了JFET区上方栅氧化层对空穴的捕获。
图4 不同UIS应力循环后SiC功率MOSFET的Cg-Vgs特性
3.3 重复浪涌
SiC MOSFET体二极管成为电路中反并联二极管的研究被逐步报道，目前工艺技术的发展使得商用SiC MOSFET体二极管导通状态下的双极退化问题逐步得到改善，因此重复浪涌电流应力下栅氧化层退化成为其主要的失效机制。当体二极管导通且Vgs=0 V时，大部分电流流经SiC MOSFET体二极管，小部分电流流经沟道，静态测试显示Vth正漂，说明有电子被注入栅氧化层中。
4、栅氧可靠性的提升方法
4.1 氮退火
氮(N)元素退火可显著降低SiC MOSFET的界面态密度，提升栅氧化层质量。图5显示N与SiC/SiO2界面处的悬挂键、C缺陷形成Si-N键和C-N键，减少了界面缺陷电荷，使得界面态密度显著降低。近年来，氮等离子体钝化技术因其较大的钝化覆盖范围而被用于降低 SiC/SiO2界面态密度。除N元素退火提升SiC MOSFET的栅界面缺陷技术外，磷和硼元素掺杂也可显著降低器件界面态密度。
图5 氮元素钝化SiC/SiO2界面示意
4.2 高k材料
高k材料的使用可显著提升SiC MOSFET的栅氧可靠性。目前，改善SiC MOSFET栅氧化层常见的高k材料有Al2O3、HfO2和ZrO2等，图6表明这些常见的高k材料具有较大的禁带宽度，能与SiC带隙形成合适的能带排列，避免栅极泄漏电流的产生；较高的介电常数可显著降低栅氧化层电场，使得栅氧被击穿的风险大大降低，同时栅氧电场的降低可减小栅氧化层的厚度，减少成本，提升栅开关的速度。
图6 与SiC相比，各种高k材料的击穿场、介电常数、带偏移和带隙
4.3 器件的结构优化
结构优化主要通过改变SiC MOSFET的器件结构以提升其栅氧可靠性。目前，平面栅结构优化最新研究表明，使用额定电压1200 V嵌入源场板的分裂栅SiC MOSFET结构，可以将传统结构的栅氧电场从3.86 MV/cm降至2.64 MV/cm，从而提升了阻断电压，并且开关损耗相比于传统平面型器件降低25%。针对双沟槽器件拐角处的电场集中，有研究者使用足够深度的双p型基区掺杂结构改善1200 V沟槽型器件的栅氧可靠性，较深的p型基区掺杂可保护沟槽拐角处的栅氧电场，增强SiC MOSFET的击穿电压。
碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管SiC MOSFET(silicon carbide metal-oxide-semiconductor field effect transistor)因具有高压、高频、低导通损耗等优异特性而获得产业界广泛关注，但相比于硅基IGBT，SiC/SiO2栅氧界面高缺陷密度引起的栅氧可靠性问题成为制约SiC MOSFET器件规模化应用的关键瓶颈。通过对近年来国内外SiC MOSFET栅氧可靠性研究成果的梳理和分析，阐述了当前栅氧可靠性问题的形成原因，归纳总结了各类常用的栅氧可靠性评估方法，并进行了比较分析，最后重点探讨了极端工况下SiC MOSFET栅氧可靠性及其提升技术的发展现状。
《电源学报》
2024年第3期已出刊，可登录期刊网站：www.jops.cn 查看及浏览相关论文。
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