台湾中山大学：1700V级SiC MOSFET在不同温度的HTRB实验中软穿通机理研究

本文对1700V平面SiC MOSFET在不同温度下的HTRB试验前后的性能进行比较，发现器件在90℃和175℃下表现出了明显的击穿电压漂移。通过测试和仿真都表明，这种性能退化是因封装工艺中引入的污染物渗入到终端区域以及器件本身的界面缺陷引起的。所以，为了减轻了这些影响， 在场氧层中引入B元素可以有效地减少与污染相关的退化，并且终端结构的改进有望减少界面缺陷。

背景介绍

与Si相比，SiC具有更宽的禁带、更高的击穿电场、更高的热导率。这些属性使得SiC基的功率器件能够在更高的电压、温度和开关频率下工作，同时还表现出更低的导通电阻和更低的功率损耗。因此，SiC MOSFET正在更多地替代Si基器件。尽管SiC器件的优点众多，但是其可靠性问题仍然受到制约。HTRB则是在相对极端的条件下对其鲁棒性进行评估的方法。HTRB试验中，器件经受高温和反向偏置电压，这可以加速器件内潜在的退化机制，如BV降低、阈值电压不稳定、漏电流增大等。

所以在这篇文章中研究了SiC MOSFET在不同HTRB条件下的退化机理和失效模式，并通过电测试和仿真，分析了影响HTRB退化的关键因素就是终端软击穿，并提出了提高SiC MOSFET在高温高压应力下可靠性的解决方案。

器件结构与试验

下图就是用来进行试验的1700V的平面栅SiC MOSFET的芯片布局和结构。下图a和b分别是裸芯片和封装后的芯片示意图。图c则是在展示了器件有源区和终端区域的横截面示意图。终端结构是提高器件整体击穿电压的非常关键的因素，由梯度场环辅助结终端扩展（GGR-JTE）、场氧、PI组成。此外，封装后的器件又经历了额外的封装工艺，如焊接、键合、塑封等。

下表了给出了HTRB的测试条件，所有的被测器件均在不同温度和电压接受HTRB试验。

试验结果

裸芯片器件在1700V的HTRB前后不同温度下的击穿曲线如下图所示。图中可以看出，在90℃和175℃下，器件没有发生退化，这就证明了裸芯片的流片工艺稳定。

但是，如下图，封装后的器件就观察到了明显的退化。在90℃/1700V的HTRB下，BV首先经历一个明显的降低，然后迅速恢复，经过了500s的恢复，BV又可以恢复到初始值，这直接证明了封装后的器件在HTRB下出现了明显的软击穿现象。此外，在175℃/1700V的HTRB试验过程中出现了另外的退化趋势。在试验的300s时观察到了临界BV值。在300s后，BV增大。而且，器件在恢复期间,BV继续增大。

所以，通过裸芯片和封装后的器件在HTRB中所观察到的不同可以知道，存在潜在的封装问题，如离子污染带来的可动离子迁移问题。

为了进一步研究在封装器件在HTRB试验中观察到的软击穿机制，随后对其在各种温度和电压进行HTRB试验。设定击穿额定电流为1e-7A，提取测试期间的BV，如下图所示。结果表明，在90℃/1700V的HTRB条件下，BV的退化趋势基本一致，并且在较高电压或较高温度下，BV的退化更加严重。更重要的是，所有的被测器件都在500s内恢复到其初始状态，这表明在HTRB测试器件，一些可移动的离子存在于封装器件中，这就影响了BV的偏移。

BV出现波动通常与终端结构的设计密切相关，因此为了验证可移动离子的存在及其影响区域，利用TCAD仿真分析HTRB测试过程中终端结构中的电场分布，如下图a。

GGR-JTE终端结构影响了整体器件的电场，使其分布在终端结构的周围，并集中在场环外侧的拐角及其上方的场氧区域。场氧层的电场线如下图b所示。电场的方向是从左上到右下，这意味着正电荷将从PI向下移动到场氧界面，而电子就从SiC向上移动到场氧界面。

在确定了潜在的电荷注入区域之后，在场氧的电场集中区域放置正电荷，并进行了具有不同剂量的正电荷击穿电压仿真，如下图c和d所示。器件的BV随正电荷的增加而显著降低，这与封装器件的测试结果一致，表明了可移动离子确实存在，并且向场氧层移动导致BV退化。在没有电压影响的恢复过程中，可移动离子返回到PI层。此外，下图e和f显示了正电荷被负电荷取代结果，发现负电荷导致了BV增大。尽管，这个结果与90℃/1700V的HTRB测试结果不一致，但是这个可以解释在175℃/1700V的HTRB中观察到相反趋势，表明在300s后的BV的增加是由注入场氧层的负电荷引起的。

综合试验数据和仿真结果，提出了如下图展示的退化模型来解释90℃/1700V的HTRB和175℃/1700V的HTRB测试观察到的软击穿退化趋势。在90℃/1700V的HTRB测试下，塑封工艺容易造成晶圆污染，从而引入带正电荷的可动离子，这些可移动离子在HTRB电场的影响下向场氧层扩散，导致正电荷注入。

此外，因PI与场氧层界面存在大量的C-H键，在高温和高电场作用下会发生反应-扩散模型，导致了C-H键断裂。在175℃/1700V的HTRB条件下，较高的温度会使场氧层与SiC界面处更易形成界面缺陷Dit。当电子注入的影响大于正电荷的影响时，BV开始增大，并且在恢复过程中，因正电荷通过反应-扩散模型返回到PI，电子无法在深能级界面缺陷中释放，导致BV持续增大。

设计优化

考虑到可移动离子和界面缺陷的强烈影响，目前已经有研究使用B元素掺杂来阻断可动离子扩散到场氧层，降低界面缺陷的存在。因此，本研究中，通过在场氧层中掺杂B来形成新的终端结构。下图展示了90℃/1700V和175℃/1700V的HTRB试验后的B掺杂器件的击穿曲线。可以清晰的看出，在90℃时，可移动离子被完美的阻挡进入场氧层，因此BV没有发生退化因B元素对Dit的修复，在175℃时产生的Dit也明显减少，所以，BV只有轻微波动。

另一种新型终端结构如下图所示，由双氧化物沟槽保护场环辅助的结终端扩展构成（DOTGR-JTE），这需要增加两个刻蚀工艺，并在原始的GGR位置处填充场氧。下图b则是展示了在相同的HTRB条件下，新终端结构的电场分布。与GGR-JTE相比，场氧层所承受的电场强度明显降低，因此BV也明显改善。下图d则是展示了场氧层对BV的电荷影响。通过改变的终端结构DOTGR-JTE，其BV变化虽然明显减小，场氧层电场的减小，电荷的注入量也会进一步减小。虽然这种新型的终端结构还未被实际应用，但是通过仿真可以看出，这会对1700V的SiC MOSFET的可靠性有所帮助。

总结

本文研究了裸芯片和封装级对1.7kV SiC MOSFET高温HTRB测试的影响，结果表明，封装器件在90°C和175°C条件下表现出不同的退化趋势，通过不同温度和电压下的电学表征，结合TCAD仿真，成功地确定了退化起源于终端结构中的可动离子。针对这一问题，提出了两种改进工艺，在掺B 器件中，90°C/1700 V和175°C/1700 V HTRB退化得到了显著改善，而通过仿真提出的DOTGR辅助的JTE结构具有很大的潜力，可以获得更好的改善效果。

信息来源：功率半导体器件

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