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ST和CNR-IMM研究人员获4H-SiC论文奖

2022/4/22 18:35:55      材料来源:化合物半导体

IEEE国际可靠性物理研讨会给ST和CNR-IMM 颁奖,以表彰他们发现某些缺陷与SIC功率器件的可靠性之间的联系


意法半导体(ST)和意大利国家研究委员会微电子与微系统研究所 (CNR-IMM)的科学家因其对某些缺陷与SIC功率器件可靠性之间关系的研究获得了IRPS(IEEE国际可靠性物理研讨会)2021年最佳论文奖。

 

这两个团队在ST位于意大利Catania的工厂共同工作,他们在那里从事SIC和GaN的研究。

 

研究论文指出了两类缺陷:短周期和长周期。其中最严重的是t = 0类型,因为它从一开始就没有功能。这篇论文的独特性在于它首次揭示了t = 0型4H-SiC中晶体缺陷与故障率之间的直接关系。4H-SiC因其物理特性而备受青睐。它比6H-SiC(~947 cm2 /Vs)具有更高的电子迁移率,但由于其六方晶格中的四个双层原子结构,它比3C-SiC更容易制造。

 

该团队使用原子力显微镜和扫描电子显微镜的横截面来观察t = 0缺陷。他们发现在外延层底部存在一种结晶沉淀物,高度约为1.90 µm。研究者试图理解为什么这些器件“一用就坏”,这使他们更深入地研究并发现了结晶沉淀物与缺陷之间的新关系。因此,ST和 CNR-IMM 的论文之所以获奖,是因为它以一种新的方式探索了SiC器件。

 

自从这篇论文发表以来,ST已掌握了优化外延反应室和4H-SiC 器件的制造工艺,以提高产量并制造更具成本效益和更耐用的器件。同时ST预计 4H-SiC 功率 MOSFET 将渗透到更多的市场和应用中,以提高能源利用效率。

 

对剩余的4H-SiC芯片进行应力测试

 

一旦研究人员筛选出 t = 0 型芯片,他们就会将功能正常的剩余芯片放入一个封装中并对其进行应力测试。第一个挑战是高温栅极偏置应力,它提高了栅极氧化物处的电场。我们大力推动这些研究的原因是为了监测正常和恶劣条件下的运行情况。有趣的是,他们注意到一些器件在 3 MV/cm 时已经表现出了异常行为。为了寻找原因,他们在原子力显微镜下检查了有问题的芯片,结果显示栅极氧化物上存在20 nm到30 nm的凸出物。

 

这一突破性发现有助于对最初看起来工作正常但在生产过程中几乎无法发现的相关缺陷器件进行分类。该研究论文不仅解释了为什么这些器件具有异常的栅极传导,而且还展示了高温栅极偏置测试的重要性。因此,这些结果将有助于代工厂更好地监控其 SiC 器件的质量。

 

高温反向偏置

 

在第一次应力测试之后,芯片进行了另一次试验:高温反向偏置。该测试持续了三个月,用于模拟几十年的正常使用情况。简而言之,它帮助研究者确定所有器件在其整个生命周期内是否都能正常运行。虽然其中 98% 的器件表现正常,但另外 2% 的器件显示栅极电流异常,比正常情况高 7 倍。在实际应用中,这种行为代表严重的故障。挑战在于,这种被称为“无声杀手”的缺陷虽然一直存在,但只有在正常使用多年后才会显现出来。

 

研究者首先使用扫描电子显微镜来发现问题,但没有发现任何异常。结果,他们改用透射电子显微镜,发现栅极绝缘体下方的半导体存在缺陷。为了进一步了解它是什么,作者使用了原子力显微镜,这使他们发现了一个三角形缺陷,其高度在18 nm和30 nm之间,具体取决于应力测试的持续时间。在这一点上,他们了解到从衬底到外延层存在穿透位错。因此,他们使用扫描电容显微镜来显示对 MOSFET 器件的物理影响并解释其非正常电学行为。

 

ST表示,这只是因为科学家们使用了如此多的测试技术,他们才能够了解发生了什么。简而言之,穿透位错会影响 4H-SiC 器件的价带,从而有效地缩小了其带宽。

 

SiC的宽带隙是该器件出色的电学气特性的根本。因此,任何导致其带隙变窄的因素都会对该结构产生严重的负面影响。在这种情况下,价带增加了约0.8 eV到1 eV,这是很重要的。相比之下,不同晶型SiC的带隙在2.3 eV和3.3 eV之间变化,而4H-SiC则为3.23 eV。

 

参考文献

'Correlation between MOSFETs breakdown and 4H-SiC epitaxial defects' by P. Fiorenza et al; 2021 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), 2021

 

 

 


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