[논문 리뷰] Nanoscale insights on the origin of the Power MOSFETs breakdown after extremely long high temperature reverse bias stress

Fiorenza, P., Alessandrino, M.외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 10.

Silicon Carbide Semiconductor Technologies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 3개월간 고온 역전압(HTRB) 스트레스를 거친 4H-SiC 파wr MOSFET에서 티딩 디플레이션(TDs)이 유전체 파손의 주요 원인임을 규명한다. 나노스케일 분석(C-AFM, SCM, TEM)을 통해 TDs가 국소적으로 금속간 간격을 감소시켜 JFET 영역 내 少수 운반자(홀) 농도를 증가시키고, 이로 인해 게이트 산화막으로의 핫 홀 주입이 가속화되어 조기 파손을 유도함을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 3개월간의 HTRB 스트레스 후 4H-SiC 파워 MOSFET에서 유전체 파손의 근본 원인을 규명하는 것.
• SiC MOSFET 신뢰성에서 잠재적 '킬러 결함'으로서의 티딩 디플레이션(TDs)의 논란의 여지가 있는 역할을 명확히 하는 것.
• 고급 현미경 기법을 활용해 전기적 고장과 나노스케일의 구조적 및 전자적 특성 간의 상관관계를 규명하는 것.
• TDs가 고전장, 고온 조건에서 유전체 파손의 핵심이 되는가를 판단하는 것.

제안 방법

• 650V 4H-SiC MOSFET에 대해 140°C에서 600V로 3개월간 HTRB 스트레스를 가해 파손을 유도함.
• 스트레스 후 전기적 특성 분석(I-V, C-V)을 수행해 소프트 및 하드 파손 모드를 식별함.
• 분해된 디바이스에서 파손 위치를 특정하기 위해 전자 방출 현미경을 활용함.
• 이중 빔 방식의 횡단면 투과형 전자현미경(TEM)을 사용해 혼합 특성의 TDs([11-20] 및 [0002] 방향)을 규명함.
• 티딩 디플레이션 표면 돌출부의 국소 전도도를 맵핑하기 위해 전도성 원자력현미경(C-AFM)을 적용함.
• 국소 도핑 및 운반자 농도 변화를 평가하기 위해 스캐닝 커패시턴스 현미경(SCM)을 사용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HTRB 스트레스 조건에서 4H-SiC MOSFET의 유전체 파손 위치와 티딩 디플레이션(TDs) 존재 여부 사이에 상관관계가 있는가?
• RQ2 티딩 디플레이션(TDs)이 나노스케일에서 4H-SiC의 국소 전자 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 TDs 근처에서의 少수 운반자(홀) 농도 증가가 게이트 산화막 파손을 가속화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 나노스케일 전기적 및 구조적 특성 분석을 통해 SiC MOSFET에서 내재적 및 외재적 파손 메커니즘을 구별할 수 있는가?
• RQ5 고전장, 고온 조건에서 TDs가 유전체 파손의 핵심이 되는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 파손 위치와 4H-SiC 에피택셜 레이어를 관통하는 티딩 디플레이션(TD) 사이에 일대일 대응 관계가 확인됨.
• C-AFM 분석에서 TD 표면에 전도 경로가 존재함을 확인했으며, 디플레이션 정점에서 전류 밀도가 최소 2개의 지수 이상 높음.
• SCM 단계 맵핑을 통해 국소적인 소수 운반자 농도(홀) 변화를 관찰했으며, 이는 TD 근처에서 금속간 간격이 감소함을 시사함.
• TEM 분석을 통해 TD가 [11-20](모서리) 및 [0002](나사) 성분을 모두 포함하는 혼합 특성을 지님을 확인함.
• 이론적 계산 결과 TD가 국소 상태를 유도하여 효과적인 금속간 간격을 감소시키며, 특히 불도금대 가장자리를 상승시킴을 지지함.
• 홀 농도의 국소 증가로 인해 게이트 산화막으로의 핫 홀 주입이 가속화되어 유전체 파손 동역학이 빨라짐.