基于1200VSiCMOSFET双沟槽结构，研究分析器件的短路性能，并对器件的结构和性能进行分析。对器件在不同直流母线电压和栅极驱动电压下的最大短路耐受时间和短路能量，通过仿真和失效分析解释了双沟槽SiCMOS的失效机理：
在0关断栅压下，母线电压为400和800V时，温度超过了Al熔化和热失控的临界极限；当母线电压从400V增大到800V时，失效的机制由层间介质的断裂演化为热失控；
在负关断栅压下，400V下，栅极沟槽栅氧的击穿发生在N+区域附近，而且800V时发生在电流扩展区域和N+区域，击穿的位置由400V时的单个区域演变为800V时的多个区域击穿。
背景
因为高频应用的需求，双沟槽SiCMOSFET（DoubleTrenchSiCMOSFET，DT-SiCMOS）面临着较大挑战，这取决于器件设计中对栅极沟槽的保护程度。根据应用端需求，DT-SiCMOS必须具有在短路后承担极端应力的能力。
这篇研究就针对1200VDT-SiCMOS在不同母线电压和0/负关断栅压下的短路能力和失效机理。实验测试选择的器件参数以及测试电路下图所示：
不同母线电压和驱动栅压下的短路能力
栅极驱动电压+18V/0V下的短路能力
下图分别是VDS=400V、600V、800V下的典型短路波形，一旦被测器件进入短路状态，IDS迅速增大，峰值电流为ISCpeak，短路能量可以表示为：
tsc为短路时间，最大短路时间tscmax定义为被测器件刚发生失效时的tsc。ESC对应的则是最大短路时间上的短路能量。
短路测试后器件的三端电阻值如下表，
在400V的VDC下，器件可以顺利通过，ISCpeak为269A，短路时间为21us。虽然栅压从18V下降到了16.8V意味着栅极退化，但是器件仍在设定的脉冲时间内安全关断。而当短路时间为22us时，VGS突然从18V下降到-9V，然后在时间点13us增加到了2V，表明栅极退化演变成了栅极损坏。因此器件在这个设定时间前就已经失去了栅极控制，器件也表现出了GS之间失效。
当VDC进一步增大到800V，器件通过短路测试时的ISCpeak为283.5A，短路时间为5.1us。器件的功耗引起结温的增加，使得本征载流子电离，继而降低了VGSth，这都会使得器件拖尾电流的产生。而且，因为拖尾电流比较大，拖尾电流产生的热量都会超过短路中器件发热耗散的热量，这就使得了器件结温和拖尾电流之间的正反馈。这与400V时不同，当短路时间tsc设置为5.2us时，VGS并未展现出明显的降低，但是即使器件关断了，仍能监控得到拖尾电流的存在。然后IDS就会突然增大，这明显表现了热失控的现象。随后器件失效，随后的测试也证明了器件被烧毁。
在VDC为600V下，器件通过短路测试的ISCpeak为278.3A，短路时间为9us。VGS从18V略微下降到17.2V，这与400V时情况相似。同时器件关断后也会观察到拖尾电流，这与800V时情况类似。当短路时间设置为9.1us时，IDS在被测器件关断后不受控制的增大。而且，器件在600V下的失效表现为器件三通或GS直通。
因此，以上结果就证明了，当VDC从400V增加到800V时，存在从栅极损坏到热失控失效的演变。
栅极驱动电压+18V/-3V下的短路能力
下图分别展示了400V、600V、800V下的器件典型短路波形。器件短路后的三端电阻测试也如下表。
400V下，器件短路峰值电流为270.3A，瞬态电流为16.7us，漏电流从18V下降到15.4V，与0关断栅压相比，此时的栅压下降更加明显。当短路时间设置为16.8us时，VGS下降至-3V，然后上升至0V。失效后的器件三端电阻测试限制GS之间短路，证明了栅极损坏。
当VDC进一步增加到600V和800V时，器件可以分别以276.6A和281.3A的ISC峰值电流，短路时间分别为8.2us和2.8us顺利通过。当短路时间分别设置为8.3us和2.9us时，IDS显著增加。与0关断栅压的情况下相比，器件表现出了较短的拖尾电流持续时间，这表明了器件在负关断栅压情况的短路下热积累过程不足以引起热失控。而且负关断栅压的栅氧退化会导致更短的tscmax，从而导致了器件三通。
下表是器件短路表现对比：
器件在不同短路条件下的失效机理分析
仿真采用的器件结构示意图及参数如下
如下图a，尽管实验中器件的IDS在VDC=400V和在18V/0V的驱动电压设置下，器件安全通过短路，但是器件最高温度Tmax超过了933K，这是表面金属Al电极的熔点。
当器件IDS在VDC=800V下失控时，Tmax超过了1655K，这是热失控的临界温度，如图c所示。
然而当，VGS降低到-3V时，Tmax显然没有达到400V和800V下933K和1655K的临界温度，如图b和图d所示。
因此，在VGS=+18V/0V下，温度时器件失效的关键因素，在VGS=+18V/-3V下，温度不是失效的关键因素。
所以，为了进一步探究VGS=+18V/0V下，器件内部的热应力情况，分析了VDC=400V短路情况下表面金属Al的温度，如下图所示。
器件内部产生的焦耳热扩散到器件表面，使得表面金属Al温度超过了933K，Al的熔化应该在这个条件下栅极损坏的原因。
在VDC=800V，VGS=+18V/0V条件下，器件在不同的短路时间点(20%、40%、60%、80%、100%)tscmax下，器件内部的温度分布变化。温度最高点总是位于相邻源极沟槽的下方n-漂移区内。
同样的短路时间内，器件内部的空穴分布以及空穴电流密度和分布。在20%tscmax时，空穴及空穴电流密度可以忽略不计。随着温度升高，本征载流子激发与迁移，导致n-漂移区出现了大量空穴，因此在栅极关断后还可观察到拖尾电流，而拖尾电流的存在进一步提高了器件内部的温度。图中可以看出，空穴密度的峰值位于与P+相邻的n-漂移区，而空穴电流的峰值出现在电流流出沟道后的电流扩展路径上。在100%tscmax时，空穴密度超过了n-漂移区的掺杂密度，器件在这个情况下发生了热失控。
同时，电应力也是造成短路失效的另一个关键因素，如下图所示。无论是400V还是800V下，VDC都在栅极沟槽栅氧电场Eox中不起作用。并且因源极沟槽的强屏蔽效应，栅极和沟槽底部的电场仅为0.5MV/cm
器件在短路中关断时，如下图所示，VGS=-3V时的Eox明显大于VGS=0V时的Eox。在VGS=+18V/-3V情况下，较强的栅氧电场会导致较弱的短路能力，此外，因源极沟槽的强屏蔽效应，不同的VDC对栅氧电场Eox影响很小。
在VGS=-3V情况下，栅氧的击穿时电场、高温以及器件关断后长时的拖尾综合作用的结果。在这个过程中，Si-O-Si键角从120°增大到150°以上，形成氧空位和弱Si-Si键，一旦弱的Si-Si键断裂，空穴陷阱的出现加速了Si-O-Si键的断裂。而且，沟道区域的栅氧电场Eox低于沿沟槽侧壁的另一个区域，这意味着电流扩展层CSL和N+附近的区域的栅氧更容易击穿。
对于VDC=400V时，栅氧击穿发生在N+附近，导致GS短路，而在VDC=800V时击穿就是发生在N+区域和CSL区域附近，导致器件三通。
通过FIB切片分析，对不同情况下失效器件进行失效分析。VDC=400V,VGS=+18V/0V情况下的器件切片如下图a。没有观察到明显的失效点，通过EMMI分析在Gatebus区域发现一个失效点，如下图b。放大后，显示处源极金属Al熔化并扩散到ILD。去除源极金属Al后，观察到了ILD的裂纹。这归因于源极金属Al和ILD在高温下的热膨胀系数不同，导致的热膨胀系数失配，超过了耐受程度，因此熔化的Al渗入了产生的ILD裂纹中，从而导致GS直通。
在VDC=800V,VGS=+18V/0V情况下，可以看到器件表面的金属Al完全烧毁，表面熔化的Al完全破坏了器件的结构。因此熔化后的金属Al连接G、S、D，造成器件三通。
在VDC=400V,VGS=+18V/-3V情况下，没有观察到明显的失效点，利用EMMI也没有检测到失效点，如下图a。与VDC=400V，VGS=+18V/0V相比，失效的器件没有显示ILD的损坏，而且考虑到Tmax没有达到金属Al的熔化温度，击穿发生在N+区域附近的栅氧层中导致了GS直通。
而在VDC=800V,VGS=+18V/-3V条件下，器件完全烧毁，而仿真结果峰值温度没有超过热失控的临界温度，因此击穿发生在N+区域和CSL附近区域的栅氧层，从而导致了器件三通。
总结
本文首次对1200VSiCDT-MOS器件的短路能力进行了全面的评估，通过实验、仿真和微观失效分析，全面揭示了不同VDC和VGS条件下的失效机理，在VGS=18V/−3V的情况下，RT-MOS的短路能力弱于VGS=18V/0V的情况。更准确地说，在VGS=18V/0V的情况下，DT-MOS的tsc-max为22.0μs，在VDC为400V、600V和800V时，tsc-max分别为16.8μs、8.3μs和2.8μs。对应的Esc-max分别为0.83J、0.67J和0.60J。在VGS=18V/−3V的情况下，tsc-max在VDC为400V、600V和800V时分别为16.8μs、8.3μs和2.8μs。在VGS=18V/0V的情况下，由于铝液渗入ILD的缝隙，在400V的情况下，铝液会导致栅源端短路，在800V时，热失控导致三个端子之间短路。当电压从400V增加到800V时，失效机制从ILD的开裂演变为热失控。在VDC=400V,VGS=18V/−3V的情况下，N+区附近的栅氧化层击穿导致在GS之间短路，VDC=800V,VGS=18V/−3V的情况下击栅氧穿发生在M+区域和CSL附近。栅极氧化层击穿的位置从400V的单个区域演变为800V的多个区域。这项工作的目的是评估基于SiCMOSFET的应用的实际短路安全裕度，未来的工作将集中在安全的驱动条件和可靠应用的RDT-MOS的改进设计上。
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