[論文レビュー] Nanoscale insights on the origin of the Power MOSFETs breakdown after extremely long high temperature reverse bias stress

Fiorenza, P., Alessandrino, M.+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2020

Silicon Carbide Semiconductor Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、4H-SiCパワーMOSFETにおける3か月間の高温逆バイアス（HTRB）ストレス後、dielectric breakdownの主な原因がテイニングディスロケーション（TDs）であると特定した。ナノスケールの特性評価（C-AFM、SCM、TEM）により、TDsが局所的にバンドギャップを低下させ、JFET領域における少数キャリア（ホール）濃度を増加させることを明らかにした。この結果、ゲート酸化膜へのホットホール注入が加速され、早期に破壊が発生する。

ABSTRACT

In this work, the origin of the dielectric breakdown of 4H-SiC power MOSFETs was studied at the nanoscale, analyzing devices that failed after extremely long (three months) of high temperature reverse bias (HTRB) stress. A one-to-one correspondence between the location of the breakdown event and a threading dislocation propagating through the epitaxial layer was found. Scanning probe microscopy (SPM) revealed the conductive nature of the threading dislocation and a local modification of the minority carriers concentration. Basing on these results, the role of the threading dislocation on the failure of 4H-SiC MOSFETs could be clarified.

研究の動機と目的

• 3か月間のHTRBストレス後の4H-SiCパワーMOSFETにおけるdielectric breakdownの根本的要因を調査すること。
• SiC MOSFETの信頼性において、潜在的な「キラー欠陥」としてのテイニングディスロケーション（TDs）の役割が議論されている点を解明すること。
• 高度な顕微鏡技術を用いて、電気的破壊とナノスケールの構造的・電子的性質の相関を明らかにすること。
• TDsが高電界・高温条件下でdielectric breakdownの核化サイトとして機能する程度を特定すること。

提案手法

• 650V 4H-SiC MOSFETに140°Cおよび600Vで3か月間のHTRBストレスを施し、破壊を誘発した。
• ストレス後、電気的特性評価（I-V、C-V）を実施し、ソフト破壊およびハード破壊モードを特定した。
• デレイヤー処理を施したデバイス上で電子放出顕微鏡を用いて破壊発生位置を特定した。
• デュアルビームモードを用いた断面透過型電子顕微鏡（TEM）を用い、混合特性を示すTDs（[11-20]および[0002]方位）を同定した。
• 導電性原子間力顕微鏡（C-AFM）を用いて、TD表面プロトブルの局所的電導度をマッピングした。
• 走査容量顕微鏡（SCM）を用いて、局所的なドーピングおよびキャリア濃度の変動を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4H-SiC MOSFETにおけるHTRBストレス下で、テイニングディスロケーションの存在がdielectric breakdown発生位置と相関しているか？
• RQ2 テイニングディスロケーションは、ナノスケールで4H-SiCの局所的電子構造をどのように変化させるか？
• RQ3 TDs周辺での少数キャリア（ホール）濃度の増加が、ゲート酸化膜の破壊をどのように加速させるか？
• RQ4 ナノスケールの電気的および構造的特性評価は、SiC MOSFETにおける内在的および外在的破壊メカニズムを区別できるか？
• RQ5 高電界・高温条件下で、TDsがdielectric breakdownの核化点として果たす程度はどの程度か？

主な発見

• 破壊発生位置と、4H-SiCエpitaxial層を貫通するテイニングディスロケーションとの間に、1対1の一致が確認された。
• C-AFMにより、TD表面に導電パスが存在し、ディスロケーション頂点部の電流密度が少なくとも2桁以上高いことが明らかになった。
• SCMの位相マッピングにより、少数キャリア（ホール）濃度の局所的変動が観察され、TD付近でバンドギャップが狭まっていることが示された。
• TEM分析により、TDが[11-20]（エッジ型）および[0002]（スクリュー型）成分を併せ持つ混合特性を示していることが確認された。
• 理論的計算により、TDが局所的状態を誘発し、有効バンドギャップを低下させ、特に価電子帯端を上昇させることを支持した。
• 局所的なホール濃度の増加により、ゲート酸化膜へのホットホール注入が促進され、dielectric breakdownの動力学が加速された。