SiC平面MOSFET栅氧可靠性及阈值电压不稳定性问题

今天这篇文章来自安森美研究SiC平面MOSFET的栅氧可靠性和阈值电压不稳定性，

先介绍背景

对SiC MOSFET而言，高电场下栅氧化层的电学表征，对于氧化层寿命建模、质量抽样以及筛选潜在不可靠的SiC MOSFET芯片具有重要意义，

基于此，本文做了三方面工作，

1、栅电流应力测试与电荷击穿特性对比

采用固定栅电流I_GSS应力测试，结合电荷击穿Q_BD测量，评估栅氧质量，同时对比了SiC平面MOSFET、SiCMOS电容以及SiMOSFET的Q_BD性能。

2、阈值电压漂移机制研究

已有研究表明，高电场下SiC MOSFET的栅极电流应力会导致阈值电压V_th产生明显负漂移，原因是碰撞电离产生的空穴在氧化层中被俘获，为深入研究，对SiC平面MOSFET和SiCMOS电容，通过瞬态栅压V_GS测试，检测SiCMOS电容的平带电压变化、SiC平面MOSFET的阈值电压变化。

3、动态栅偏条件下的参数漂移

动态栅偏（DynamicGateBias）引起的SiC MOSFET参数漂移是另一类重要现象，主要表现为V_th和R_don的增大，基于此，本文进行-8V/+10V轮流切换的动态栅偏实验，对比商用SiC MOSFET的动态栅偏参数漂移。

先对SiC MOSFET、SiCMOS电容以及SiMOSFET进行恒定栅电流应力测试，直到器件失效，采用1200V/40mΩSiC平面MOSFET，V_th约3V，SiCMOS电容制备于N型外延层上，掺杂浓度与SiC MOSFET外延层一致，MOS电容的栅氧化层厚度比MOSFET栅氧厚约10%，其余栅氧化层工艺相同，SiC MOSFET、SiCMOS电容以及SiMOSFET均在安森美同一晶圆厂制造，测试所用的MOS电容经过28V的V_GS预筛选，测试所用的SiC MOSFET经过量产筛选程序。

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如上，三种器件Q_BD测试结果，

横轴是Q_BD，表示累积电荷密度，即单位面积上导致栅氧化层击穿所需的电荷量，纵轴是累积失效概率的威布尔坐标转换，用于分析失效分布、识别早期失效，SiC MOSFET的失效电荷约50C/cm²，处于行业先进水平，是SiMOSFET失效电荷值的50倍。

SiC MOSFET的Q_BD曲线无拖尾现象，表明器件不存在局部薄弱区域，与平面MOS电容的特性高度匹配。

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如上，恒定栅电流脉冲应力下，器件栅压随时间变化的瞬态响应，测试温度150℃，左图为SiCMOS电容，右图为SiC MOSFET，I_G大小为1mA/cm²，Vpulse1、Vpulse2分别为2次连续的1秒脉冲，在第一个脉冲Vpulse1期间，MOS电容和MOSFET均出现V_G的瞬态下降，原因可能是空穴正电荷俘获或负俘获电荷释放，导致平带电压和阈值电压逐渐降低。

MOS电容和MOSFET的V_G均在数百毫秒后趋于饱和，且第二个脉冲Vpulse2期间未出现电压峰值，另外，Vpulse1和Vpulse2结束时，V_G大小非常近似，对于电压饱和现象，作者给出的解释是，碰撞电离或阳极空穴注入产生的空穴，填充了氧化层中预先存在的陷阱，当然并不能肯定是此原因。

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SiCMOS电容的CV扫描曲线如上，温度150℃，I_G大小为1mA/cm²，时长1秒的脉冲，平带电压产生负漂移，大小为1.95V，而在第二张图中，栅极电流应力期间（同样是150℃），MOS电容的V_G从峰值到平台期，下降了约1.4V，推测这1.4V的下降与平带电压负漂存在相关性。

再对150℃下SiC MOSFET的V_th进行测试，发现在1秒栅极电流脉冲应力之前，器件V_th为2.34V，之后为2.25V，V_th负漂移量只有0.09V，远小于第二张图MOSFET器件从峰值到平台的V_G下降量（0.9V），表明V_th出现了快速恢复，推测原因是在V_th测量过程中，高掺杂源区向沟道提供电子并被陷阱俘获，使其迅速恢复。

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在温度150℃、栅源电压28V条件下，对样品施加应力，观察V_th变化，结果如上，两条黑线是经过I_G=1mA/cm²的1秒脉冲应力处理的SiC MOSFET，两条蓝线是未经处理的SiC MOSFET，受应力器件的V_th逐渐恢复，10-20秒后达到未受应力器件的V_th水平，尽管受应力器件初始V_th漂移更快，但后续漂移曲线与未受应力器件平行，表明二者的阈值电压漂移速率无显著差异。

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具体数据如上，

1.11e4秒约为3小时，1.11e5秒约为31小时，结论是，1mA/cm²脉冲应力引起的V_th下降不会对常规阈值电压测试中表征的V_th稳定性产生永久性影响。

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DGB测试结果如上，对比安森美1200V/80mΩSiC MOSFET（NVHL080N120SC1A）与另外三种商用1200VSiC MOSFET器件的V_th变化量、归一化R_don变化量，实验条件为：温度25℃、漏源电压0V，-8V/20V栅源电压应力，占空比50%，黑线代表的安森美器件，V_th和归一化R_don变化量最小。

小结：

1、安森美商用SiC MOSFET器件测试结果表明，SiC MOSFET的失效电荷约50C/cm²，处于行业先进水平，是SiMOSFET失效电荷值的50倍，

2、1mA/cm²脉冲应力引起的V_th下降不会对常规阈值电压测试中表征的V_th稳定性产生永久性影响。

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