簡(jiǎn)介

本文匯集了 SiC MOSFET 最新結(jié)果的特定方面，涉及由于應(yīng)用交流柵極偏置應(yīng)力（也稱(chēng)為柵極開(kāi)關(guān)應(yīng)力）導(dǎo)致的閾值電壓 (VT) 退化及其影響溝槽幾何器件對(duì)負(fù)偏壓過(guò)應(yīng)力 (NBO) 效應(yīng)的強(qiáng)烈依賴(lài)。交流柵極偏置應(yīng)力引起的退化是 SiC MOSFET VT 不穩(wěn)定性的一個(gè)潛在重要方面，最近才被揭示。我們最近的工作表明，這種現(xiàn)象包括看似永久性的 VT 偏移和觀察到的 VT 滯后的增加。它還表明，這種退化效應(yīng)與柵極開(kāi)關(guān)周期的數(shù)量成正比，在開(kāi)關(guān)周期期間從積累到強(qiáng)反轉(zhuǎn)再返回的更快轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致每個(gè)周期更大的退化，并且這種退化可以在 300 ℃ 時(shí)退火。最后，當(dāng)暴露于超過(guò)器件負(fù)偏壓額定值的 NBO 時(shí)，這種退化效應(yīng)主要出現(xiàn)在溝槽幾何器件中。我們還發(fā)現(xiàn)，并非所有溝槽器件都同樣容易受到影響，這表明器件設(shè)計(jì)和加工細(xì)節(jié)對(duì)于這種影響的嚴(yán)重程度至關(guān)重要。由于研究的平面器件和應(yīng)用的開(kāi)關(guān)周期數(shù)量相對(duì)較少，早期研究雙極交流應(yīng)力的工作未能發(fā)現(xiàn)任何有意義的東西。

圖 1 說(shuō)明了在某些溝槽幾何器件中觀察到的基本退化效應(yīng)，顯示了 VT 磁滯測(cè)量序列的低側(cè)和高側(cè)變化圖，其中應(yīng)用了第一個(gè)柵極偏置極性，并且測(cè)量 VT（通過(guò)在大約 10 μs 完成快速 I-V 測(cè)量后以固定電流水平提取 VGS），然后應(yīng)用另一個(gè)極性并重新測(cè)量 VT，揭示存在的 VT 遲滯——作為總電壓的函數(shù)應(yīng)用交流應(yīng)力循環(huán)（均在室溫下）。在每個(gè)柵極極性下，測(cè)量 VT 磁滯的應(yīng)力時(shí)間為 100 μs，這與 AC 應(yīng)力本身施加的 200 ns 有效應(yīng)力時(shí)間形成對(duì)比（參見(jiàn)圖 2 中所示的應(yīng)力和測(cè)量示意圖）。觀察到的 VT 不穩(wěn)定性變化非常顯著，在 1012 個(gè)總 AC 應(yīng)力循環(huán)后，VT 磁滯從最初的 0.25 V 增加到約 2.25 V，VT 磁滯的低側(cè)增加約 3 V，從 4.7 V 增加到 7.7 V，高側(cè)增加約 5V，從約 5V 到 10V。還值得注意的是，觀察到的 VT 遲滯的增加僅在 VT 首次發(fā)生顯著變化后發(fā)生。這一點(diǎn)在下面的兩張圖中表現(xiàn)得更清楚。

圖 1. VT 磁滯測(cè)量的高側(cè) [VT(POS)] 和低側(cè) [VT(NEG)] 作為溝槽 SiC MOSFET 中交流應(yīng)力循環(huán)（室溫）的函數(shù)（使用快速 I-V 進(jìn)行測(cè)量） 。

圖 2. 示意圖顯示了交流應(yīng)力循環(huán)和 VT 磁滯測(cè)量（在恢復(fù)應(yīng)力之前僅描述了一次完整迭代）——全部在室溫下進(jìn)行。

圖 3 將溝槽 SiC MOSFET 器件看似永久的 VT 偏移與平面 SiC MOSFET（來(lái)自同一制造商）中觀察到的沒(méi)有任何影響的情況進(jìn)行了比較。溝槽器件的 VT 開(kāi)始在 109 到 1010 個(gè)總交流應(yīng)力周期之間發(fā)生明顯變化，在 1012 個(gè)總交流應(yīng)力周期后變化了約 5V，在約 1013 個(gè)總應(yīng)力周期后變化了超過(guò) 8V，沒(méi)有飽和的跡象！圖 4 顯示，最初，平面器件（不會(huì)退化）的 VT 磁滯是溝槽器件的兩倍，但超過(guò)大約 1011 個(gè)總 AC 應(yīng)力循環(huán)后，溝槽器件的 VT 磁滯顯著增加（大約VT 已移動(dòng)約 2 V 的時(shí)間）。由于下面將詳細(xì)討論的原因，這并不代表額外電荷陷阱的激活。相反，我們發(fā)現(xiàn)后一種效應(yīng)是由于當(dāng) VGS - VT 正移幾伏時(shí) VT 磁滯測(cè)量的低側(cè)顯著下降所致。還應(yīng)該注意的是，大約 1 s 的慢速 I-V 測(cè)量顯示的 VT 偏移與快速 I-V 測(cè)量一樣多，如果 VT 偏移是由于某種永久電荷捕獲效應(yīng)（永久電荷捕獲效應(yīng)）造成的，則這是可以預(yù)料到的，至少在負(fù)偏壓下高溫退火之前）。另一方面，緩慢的 I-V 測(cè)量顯示出更小的 VT 磁滯效應(yīng)（以及 VT 磁滯的變化），這也是可以預(yù)料的，因?yàn)?VT 磁滯是由動(dòng)態(tài)、短暫的電荷俘獲引起的，其大小為測(cè)量速度依賴(lài)。

圖 3. 溝槽和平面 SiC MOSFET（來(lái)自同一制造商）的 VT 偏移與 AC 應(yīng)力循環(huán)總數(shù)的比較。

圖 4. 溝槽和平面 SiC MOSFET（來(lái)自同一制造商）的 VT 磁滯與 AC 應(yīng)力周期總數(shù)的比較。

圖 5 顯示了 VT 偏移與交流應(yīng)力周期總數(shù)的相關(guān)性，作為交流應(yīng)力期間施加的低側(cè)柵極偏置 [VGS (min) - 見(jiàn)圖 2] 的函數(shù)。柵極偏壓越負(fù)，退化效應(yīng)越強(qiáng)。 （對(duì)于圖 1、3 和 4 所示的結(jié)果，VGS (min) 為 -10 V。）計(jì)算 VT 偏移的參考點(diǎn)是 VT 磁滯測(cè)量值 [VT(POS)] 的高側(cè)。圖 6 顯示了低側(cè)柵極偏置與 VT 磁滯相應(yīng)增加的關(guān)系。再次清楚的是，VT 遲滯的增加直到 VT 偏移超過(guò)至少 1 V 才開(kāi)始，并且直到大約 2 V 偏移才顯著。

圖 5. 交流應(yīng)力的低側(cè)柵極偏壓 VGS（最小值）對(duì)觀察到的 VT 偏移（在 VT 磁滯包絡(luò)的高側(cè)測(cè)量）的影響，作為總應(yīng)力周期的函數(shù)。 VGS（最大值）= +22 V。

圖 6. 交流應(yīng)力的低側(cè)柵極偏壓 VGS（最小值）對(duì)觀察到的 VT 磁滯（使用 +22 V / –4 V 測(cè)量）的影響，作為總應(yīng)力周期的函數(shù)。 VGS（最大值）= +22 V。

為了更好地理解 VT 偏移和由于 AC 應(yīng)力引起的退化而引起的 VT 磁滯變化之間的關(guān)系，特別是在溝槽幾何器件中，查看 VT 磁滯對(duì)施加在低側(cè)的柵極偏壓的敏感度 [VGS] 具有指導(dǎo)意義。在沒(méi)有交流應(yīng)力的情況下進(jìn)行 VT 磁滯應(yīng)力和測(cè)量序列（加工后的器件）。圖 7 顯示了 VT 磁滯幅度如何隨著負(fù)柵極偏壓的增加（同時(shí)將高側(cè) [VGS（高）] 保持在 +22 V）而增加（相對(duì)于 VT 磁滯應(yīng)力間隔時(shí)間繪制）。從 VGS（低）= –6V（以粗體突出顯示）開(kāi)始，VT 遲滯幅度顯著增加，并且 VGS（低）每增加 2V，VT 遲滯幅度繼續(xù)增加約 1V，直到 VGS（低）= –14 V（也以粗體突出顯示），此后效果很快開(kāi)始最終飽和（毫不奇怪，制造商為該器件指定的最大負(fù)柵極偏壓為 –4 V）。相比之下，同一制造商的平面幾何器件在相同的負(fù)柵極偏壓范圍內(nèi)，VT 遲滯幾乎沒(méi)有增加。柵極偏置值（見(jiàn)圖 8）。對(duì)于平面器件，影響很小，并且在 VGS（低）= –6 V 附近開(kāi)始飽和。（應(yīng)該注意的是，如圖 7 所示，溝槽器件中對(duì) NBO 的大靈敏度對(duì)于兩者來(lái)說(shuō)是相同的）主要制造商進(jìn)行了評(píng)估，盡管在 NBO 條件下 [見(jiàn)圖 5]，交流應(yīng)力造成的顯著退化僅對(duì)兩家制造商之一而言是真實(shí)的。

圖 9 和圖 10 提供了對(duì)溝槽幾何器件中 VT 磁滯大幅增加的驅(qū)動(dòng)因素的進(jìn)一步了解（如圖 7 所示）。圖 9 顯示了 VT 磁滯包絡(luò)線(xiàn) [VT(NEG)] 的低側(cè)如何隨著 VT 磁滯應(yīng)力 [VGS（低）] 期間負(fù)柵極偏壓的增加而沿負(fù)方向顯著向下移動(dòng) — 再次繪制與 VT 磁滯應(yīng)力的關(guān)系圖間隔時(shí)間（見(jiàn)圖2）。另一方面，圖 10 顯示，隨著 VT 磁滯應(yīng)力期間負(fù)柵極偏壓的增加，同一 VT 磁滯包絡(luò) [VT(POS)] 的高側(cè)僅在負(fù)方向上稍微向下移動(dòng)。 （在別處研究了在 VT 磁滯應(yīng)力 [VGS（高）] 期間改變正柵極偏壓的情況。）因此，圖 7 中所示的 VT 磁滯幅度的大幅增加幾乎完全是由于隨著 NBO 的增加，VT 位于 VT 遲滯包絡(luò)線(xiàn)的低側(cè)。

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圖 9. 溝槽 SiC MOSFET 的負(fù)偏壓過(guò)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致 VT 磁滯包絡(luò)線(xiàn) [VT(NEG)] 的低側(cè)出現(xiàn)顯著的負(fù)漂移。這種效應(yīng)在閾值電壓稍為負(fù)時(shí)飽和。 VGS（高）保持恒定在 +22 V。（未施加交流應(yīng)力。）

圖 10. 溝槽 SiC MOSFET 的相同負(fù)偏壓過(guò)應(yīng)力僅導(dǎo)致 VT 磁滯包絡(luò)線(xiàn) [VT(POS)] 的高側(cè)產(chǎn)生較小的負(fù)漂移。 VGS（高）保持恒定在 +22 V。（未施加交流應(yīng)力。）

這意味著，當(dāng) VT 由于交流應(yīng)力退化效應(yīng)而正向移動(dòng)時(shí)，VGS – VT 將相應(yīng)減小，從而導(dǎo)致 VT 遲滯測(cè)量期間應(yīng)用的有效柵極偏置值發(fā)生變化。例如，在任何正 VT 偏移之前，應(yīng)用 VGS（低）= ?4 V 不會(huì)導(dǎo)致 NBO 條件。但 VT 的 2V 正移將導(dǎo)致 VGS - VT 發(fā)生變化，從而使 VGS（低）實(shí)際上變?yōu)?-6V，從而增加 VT 遲滯。這導(dǎo)致 VT (NEG) 值變得比原本應(yīng)有的正值小 1 V。這解釋了為什么圖 1 中 VT 磁滯隨著正方向偏移而變寬，以及為什么 VT 偏移首先發(fā)生，只有當(dāng) VT 首先偏移至少 1 V 時(shí)，VT 磁滯才會(huì)開(kāi)始增加。因此，不需要額外的陷阱激活來(lái)解釋溝槽器件中交流應(yīng)力引起的 VT 滯后的增加。

總結(jié)和結(jié)論

當(dāng)暴露于具有負(fù)偏壓過(guò)應(yīng)力的雙極交流應(yīng)力（柵極偏壓超過(guò)制造商建議的最大負(fù)柵極工作電壓，在感興趣的特定情況下為 -4 V）時(shí)，來(lái)自特定制造商的溝槽器件會(huì)經(jīng)歷較大的在大約 1013 個(gè)總周期后，正 VT 偏移接近 10 V，沒(méi)有任何飽和跡象，而來(lái)自同一制造商的平面器件（以及來(lái)自其他制造商的所有器件）顯示出的影響要小得多。觀察到的 VT 磁滯相應(yīng)大幅增加并不是由于新陷阱的激活，而是由于標(biāo)準(zhǔn) VT 磁滯測(cè)量負(fù)偏壓側(cè) VGS-VT 的增加（在平面器件中未觀察到）。一般來(lái)說(shuō)，SiC 溝槽 MOSFET 在 VT 磁滯方面表現(xiàn)出對(duì) NBO 的敏感性，但僅這種現(xiàn)象不足以引起交流應(yīng)力引起的漂移。退化機(jī)制可能是由于深態(tài)中的電子俘獲所致，導(dǎo)致 VT 看似永久的正移。然而，這種損壞可以通過(guò)在高溫 (300 °C) 下施加負(fù)偏壓來(lái)消除。

審核編輯：湯梓紅