[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究将4H-SiC功率MOSFET在三月高温反向偏置（HTRB）应力后的电介质击穿主因归因于位错线（TDs）。通过纳米尺度表征（C-AFM、SCM、TEM），研究发现TDs会局部减小带隙，导致JFET区域少数载流子（空穴）浓度升高，从而加速空穴注入栅氧化层，引发提前击穿。

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.

研究动机与目标

• 研究4H-SiC功率MOSFET在长期HTRB应力后电介质击穿的根本原因。
• 阐明位错线（TDs）作为SiC MOSFET可靠性中潜在的“致命缺陷”的争议性作用。
• 利用先进显微技术，将电学失效与纳米尺度的结构和电子特性相关联。
• 确定在高场强、高温条件下，TDs是否作为电介质击穿的成核点。

提出的方法

• 在140°C和600V条件下对650V 4H-SiC MOSFET进行为期三个月的HTRB应力，以诱导击穿。
• 对应力后器件进行电学表征（I-V、C-V），以识别软击穿和硬击穿模式。
• 利用电子发射显微镜定位去层器件上的击穿位置。
• 采用双束模式横截面透射电子显微镜（TEM）识别具有混合特征的位错线（[11-20]和[0002]取向）。
• 利用导电原子力显微镜（C-AFM）对位错线表面凸起处的局部电导率进行测绘。
• 采用扫描电容显微镜（SCM）评估局部掺杂浓度和载流子浓度的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HTRB应力下，4H-SiC MOSFET中电介质击穿位置是否与位错线的存在相关？
• RQ2 位错线如何在纳米尺度上改变4H-SiC的局部电子结构？
• RQ3 位错线附近少数载流子（空穴）浓度的增强在加速栅氧化层击穿中起什么作用？
• RQ4 纳米尺度电学与结构表征能否区分SiC MOSFET中本征与非本征击穿机制？
• RQ5 在高场强、高温条件下，TDs在多大程度上作为电介质击穿的成核点？

主要发现

• 发现击穿位置与贯穿4H-SiC外延层的位错线之间存在一一对应关系。
• C-AFM显示位错线表面存在导电路径，且在位错顶点处电流密度至少高出两个数量级。
• SCM相位图显示少数载流子浓度（空穴）存在局部变化，表明位错线附近带隙缩小。
• TEM分析证实该位错线具有混合特性，同时包含[11-20]（刃型）和[0002]（螺型）组分。
• 理论计算表明，位错线诱导出局域态，导致有效带隙减小，优先提升价带边能量。
• 局部空穴浓度的增加增强了向栅氧化层的热空穴注入，从而加速了电介质击穿动力学。