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SiC MOSFET 柵極漏電流傳輸機(jī)制研究*

2023-10-25 08:36:46鹿存莉談威季穎趙琳娜顧曉峰
電子與封裝 2023年9期
關(guān)鍵詞:柵極偏壓偏置

鹿存莉,談威,季穎,趙琳娜,顧曉峰

(江南大學(xué)電子工程系物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心,江蘇 無(wú)錫 214122)

1 引言

由于SiC 材料具有禁帶寬度大、導(dǎo)熱性高和擊穿電場(chǎng)高等優(yōu)異的物理性能[1-2],使得SiC MOSFET 在高壓、高溫和高開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景[3-5]。然而,由于復(fù)雜的氧化過(guò)程,分布在SiO2層中的高密度缺陷會(huì)加速柵極氧化物的退化,并導(dǎo)致SiC MOSFET 的過(guò)早擊穿[6]。器件的柵極漏電流反映了柵極氧化層缺陷的產(chǎn)生過(guò)程,因此研究人員深入研究了SiC MOSFET 器件柵極漏電流的傳輸機(jī)制,并提出了幾種具有建設(shè)性的電流傳輸模型。AVINO-SALVADó等人基于FN(Fowler-Nordheim)隧穿機(jī)制,計(jì)算出173~523 K 溫度范圍內(nèi)的平面型SiC MOSFET 的SiC/SiO2界面的電子勢(shì)壘高度為2.76~2.96 eV[7];SOMATANI 等人提出,由于碳相關(guān)缺陷或氧空位缺陷的存在,當(dāng)平面型4H-SiC MOSFET 溫度高于300 K時(shí),PF(Poole-Frenkel)發(fā)射機(jī)制在柵極氧化物的漏電流傳輸過(guò)程中占主導(dǎo)地位[8]。XIANG 等人基于熱解和干氧中氧化制造的4H-SiC MOSFET,通過(guò)溫度相關(guān)電流電壓(T-I-V)測(cè)試,提出在高電場(chǎng)下FN 隧穿和PF 發(fā)射共同主導(dǎo)了柵極漏電流[9];CHEN 等人基于T-I-V 試驗(yàn)方法和時(shí)間依賴的介電擊穿測(cè)量(TDDB)方法,評(píng)估了平面型SiC MOSFET 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)區(qū)柵極氧化物和溝道區(qū)柵氧化物的可靠性,提出了溝道柵極氧化物比JFET 區(qū)域的柵極氧化物更容易發(fā)生FN 隧穿效應(yīng)[10];CHBILI 等人認(rèn)為TAT(Trap-Assisted Tunneling)隧穿是導(dǎo)致平面型SiC MOSFET 器件柵極氧化物中漏電流增加和柵極氧化物發(fā)生早期擊穿的原因[11]。上述文獻(xiàn)從不同機(jī)制深入研究了柵極出現(xiàn)漏電流的原因,然而同時(shí)研究不同溫度下正反向偏置時(shí)的柵極漏電流傳輸機(jī)制的文獻(xiàn)較少,此外,還有一些學(xué)者計(jì)算了不同溫度下的勢(shì)壘高度,卻沒(méi)有解釋勢(shì)壘高度隨溫度變化的原因。因此,本文在300~450 K 的溫度范圍內(nèi),通過(guò)T-I-V 測(cè)量方法,深入研究了SiC MOSFET 在正向和反向柵極高偏置下的電流傳輸機(jī)制,并闡述了勢(shì)壘高度與溫度的關(guān)系。

2 器件結(jié)構(gòu)與測(cè)試方法

試驗(yàn)選用1 200 V/40 A/80 mΩ 的平面型SiC MOSFET 作為待測(cè)器件(DUT)。閾值電壓Vth約為4.5 V,零柵極電壓漏極電流Idss的典型值(漏源極電壓Vds=1 200 V,柵源極電壓Vgs=0 V)為1 μA,最大值為100 μA,柵源極漏電流Igss的典型值(Vgs=20 V,Vds=0 V)為1 nA,最大值為100 nA,圖1 為SiC MOSFET的橫截面和SEM 圖。

圖1 SiC MOSFET 的橫截面和SEM 圖

SiC 外延層厚度為12 μm,器件的柵極長(zhǎng)度、溝道長(zhǎng)度以及柵極氧化物的厚度分別為5 μm、0.5 μm、50 nm。P 型體區(qū)和N 型漂移區(qū)的摻雜濃度分別為1×1017cm-3、8×1015cm-3。室溫下,在SiC 芯片的N 型漂移區(qū)上,以4°的傾斜角注入鋁離子形成P 型體區(qū),同時(shí)通過(guò)注入大劑量的磷離子形成N+ 源區(qū)和N+ 襯底,隨后淀積厚度為50 nm 的柵極氧化物,并淀積多晶硅層作為器件的柵極,最后淀積鋁金屬和鈦/鎳/銀層作為源極和漏極。

使用Keithley 2636B 雙通道系統(tǒng)數(shù)字源表和TC-77K 溫度控制器測(cè)量DUT 的T-I-V特性,測(cè)試方法為將器件的漏極和源極短接接地,柵極電壓從-35 V掃描到35 V,測(cè)試溫度范圍為300~450 K,步長(zhǎng)為25 K。不同溫度下Igss-Vgs測(cè)試曲線如圖2 所示,Igss在正向柵極高偏壓(30~35 V)和反向高偏壓(-28~-35 V)下隨著溫度升高而增大。

圖2 不同溫度下Igss-Vgs 測(cè)試曲線

3 測(cè)試結(jié)果和分析

3.1 電流傳輸機(jī)制

FN 隧穿和PF 發(fā)射的兩種電流傳輸模型如圖3所示。其中,EC為導(dǎo)帶底能級(jí),EV為價(jià)帶頂能級(jí)。

圖3 FN 隧穿和PF 發(fā)射的兩種電流傳輸模型

當(dāng)柵介質(zhì)層厚度大于5 nm 并處于高電場(chǎng)下,載流子從金屬或半導(dǎo)體接觸的導(dǎo)帶隧穿到電介質(zhì)的導(dǎo)帶中,形成FN 隧穿電流[7]。FN 隧穿的電流密度JFN[12]可表示為

其中,A和B為與勢(shì)壘相關(guān)的參數(shù),q是電子的電荷量,Eox是柵極氧化層的電場(chǎng)強(qiáng)度,mox是SiO2中的有效電子質(zhì)量,mSiC是SiC 中的有效電子質(zhì)量,mox=0.42m0,mSiC=0.29m0,m0是自由電子質(zhì)量,h是普朗克常數(shù),ΦB是SiC/SiO2界面的電子勢(shì)壘高度。整理公式(1)得到

從式(4)可以看出,若器件的Igss由FN 隧穿機(jī)制主導(dǎo),則ln(JFN/)與呈線性關(guān)系,斜率為-B,截距為lnA。

PF 發(fā)射是高偏壓下的一種陷阱輔助機(jī)制,PF 機(jī)制的發(fā)生與材料中的強(qiáng)電場(chǎng)有關(guān),強(qiáng)電場(chǎng)使得能帶出現(xiàn)彎曲,導(dǎo)致材料中的缺陷能級(jí)減小[13]。PF 機(jī)制的電流密度JPF[14]可表示為

其中,δPF是PF 的導(dǎo)電系數(shù),δPF=qμn,n是氧化物導(dǎo)帶中的態(tài)密度,μ 是氧化物中的電子遷移率。Φt是缺陷態(tài)電子發(fā)射勢(shì)壘高度,ε0是真空中的介電常數(shù),εSiO2是SiO2的相對(duì)介電常數(shù),T是絕對(duì)溫度,k是玻爾茲曼常數(shù)。將式(5)進(jìn)行整理得到

從式(6)可以看出,若器件的Igss由PF 發(fā)射機(jī)制主導(dǎo),則ln(JPF/Eox)與E1/2ox呈線性關(guān)系,其中m(T)為斜率,b(T)為截距。

3.2 正向柵電流傳輸機(jī)制

柵極正向高偏壓下不同溫度的ln(JFN/E2ox)與的關(guān)系如圖4 所示,從圖4 可以看出,ln(JFN/)與呈線性關(guān)系,符合FN 隧穿特性,說(shuō)明FN 隧穿機(jī)制在正向柵極高偏置下主導(dǎo)了柵極漏電流的傳輸過(guò)程。

圖4 柵極正向高偏壓下不同溫度的ln(JFN/)與 的關(guān)系

由于SiC/SiO2界面的電子勢(shì)壘高度對(duì)載流子傳輸機(jī)制起著重要作用,因此基于圖4 計(jì)算了ΦB隨溫度的變化關(guān)系。由于ln(JFN/)與呈線性關(guān)系,其斜率為-B,由式(3)計(jì)算可得ΦB的值。正向和反向偏壓下ΦB隨溫度的變化關(guān)系如圖5 所示,在正向柵極偏置,300~450 K 的溫度范圍內(nèi),ΦB的范圍為2.58~2.69 eV,與文獻(xiàn)[7]得到的勢(shì)壘高度值(2.7 eV)接近。從圖中可以看出,ΦB與T呈線性關(guān)系,在300~450 K 范圍內(nèi)ΦB隨著溫度的升高而逐漸降低,dΦB/dT擬合結(jié)果為-0.768 meV·K-1,與理論值(-0.7 meV·K-1)相符[7]。因此,ΦB隨溫度的升高而降低、圖2 中Igss隨溫度的升高而逐漸增大的原因可解釋為,當(dāng)溫度升高時(shí),原子圍繞其平衡點(diǎn)做隨機(jī)運(yùn)動(dòng),即鞍點(diǎn)的高度開(kāi)始波動(dòng)。如果附近的原子恰好靠近彼此,鞍點(diǎn)高度將減小,若原子之間的距離增加,則鞍點(diǎn)高度增加。總體來(lái)看,由于式(1)的指數(shù)特性,勢(shì)壘高度降低時(shí)電流密度的增加趨勢(shì)遠(yuǎn)大于勢(shì)壘高度升高時(shí)電流密度的減少趨勢(shì),這意味著隨著溫度升高,Igss逐漸增大,平均勢(shì)壘高度降低[15]。

圖5 正向和反向偏壓下ΦB 隨溫度的變化關(guān)系

此外,由于熱生長(zhǎng)的SiC MOSFET 氧化物中存在缺陷[8],PF 發(fā)射也被認(rèn)為是柵漏電流的傳輸機(jī)制之一。圖6 為不同溫度下正向高偏壓的ln(JPF/)與的關(guān)系。從圖6 中提取斜率m(T),并根據(jù)公式(6)中的斜率m(T)的表達(dá)式計(jì)算出εSiO2的值為0.76~1.52,這與εSiO2的理論值3.9 相差較大,因此基于擬合結(jié)果排除了PF發(fā)射機(jī)制對(duì)高偏壓下柵極電流的主導(dǎo)作用。

圖6 不同溫度下的ln(JPF/Eox)與 關(guān)系

3.3 反向柵電流傳輸機(jī)制

反向柵極偏壓不同溫度下的ln(JPF/)與的關(guān)系如圖7 所示,從圖中可以看出,ln(JPF/)與遵循線性關(guān)系,符合FN 隧穿特性。圖5 中的黑色線為計(jì)算得到反向柵極偏壓和不同溫度下的ΦB,其范圍為3.02~3.26 eV,與理論值(3.15 eV)一致[16]。通過(guò)對(duì)ΦB與T的擬合,得到dΦB/dT擬合結(jié)果約為-1.47 meV·K-1。ΦB與溫度T的關(guān)系為線性函數(shù),即ΦB=-1.47×10-4×T+3.69。

圖7 反向柵極偏壓不同溫度下的ln(JFN/)與 的關(guān)系

由于SiC MOSFET 柵極氧化物的可靠性與柵極漏電流密切相關(guān),圖2 中,當(dāng)正向偏壓大于30 V、反向偏壓小于-28 V 時(shí),Igss開(kāi)始呈指數(shù)增長(zhǎng)。由于SiC MOSFET 的溝道區(qū)柵極氧化物比JFET 區(qū)柵極氧化物更容易發(fā)生FN 隧穿,導(dǎo)致平面型SiC MOSFET 發(fā)生FN 隧穿時(shí)出現(xiàn)不對(duì)稱的Vgs[10]。通過(guò)對(duì)比正反向柵電流傳輸機(jī)制發(fā)現(xiàn),當(dāng)柵極處于反向高偏置時(shí),勢(shì)壘高度隨溫度下降得更快。原因在于當(dāng)溫度升高時(shí),原子圍繞其平衡點(diǎn)做隨機(jī)運(yùn)動(dòng),即靶點(diǎn)高度開(kāi)始波動(dòng),平均勢(shì)壘高度隨溫度升高而降低,當(dāng)柵極處于反向高偏置時(shí),JFET 區(qū)域的空穴注入到柵極氧化物中,與此同時(shí)隨著溫度的升高碰撞電離增強(qiáng),產(chǎn)生了大量的電子-空穴對(duì),注入到柵極氧化物中的空穴濃度進(jìn)一步增大,電子勢(shì)壘高度進(jìn)一步降低。

4 結(jié)論

本文主要研究了SiC MOSFET 的柵極漏電流傳輸機(jī)制。通過(guò)對(duì)300~450 K 溫度范圍的柵電流數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,提出了正向高偏置下的柵電流傳輸由FN 隧穿機(jī)制主導(dǎo),并通過(guò)FN 隧穿公式計(jì)算得到勢(shì)壘高度的范圍為2.58~2.69 eV,且在300~450 K 范圍內(nèi)隨著溫度的升高而逐漸降低,dΦB/dT 約為-0.768 meV·K-1。基于擬合結(jié)果排除了PF 發(fā)射機(jī)制對(duì)高偏壓下柵極電流的主導(dǎo)作用。對(duì)反向高偏壓下的柵極漏電流傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得出柵漏電流傳輸同樣由FN 隧穿機(jī)制主導(dǎo),計(jì)算得到FN 隧穿時(shí)的勢(shì)壘高度的范圍為3.02~3.26 eV,且在300~450 K 范圍內(nèi)隨著溫度升高而逐漸降低,dΦB/dT 擬合結(jié)果約為-1.47 meV·K-1。對(duì)比正反向柵電流傳輸機(jī)制發(fā)現(xiàn),當(dāng)柵極處于反向高偏置時(shí),勢(shì)壘高度隨溫度下降得更快。這是由于在正向柵極電流傳輸機(jī)制中,當(dāng)溫度升高時(shí),原子圍繞其平衡點(diǎn)做隨機(jī)運(yùn)動(dòng),即鞍點(diǎn)的高度開(kāi)始波動(dòng)。由于FN 隧穿模型的指數(shù)特性,勢(shì)壘高度降低時(shí)電流密度的增加趨勢(shì)遠(yuǎn)大于勢(shì)壘升高時(shí)電流密度的減少趨勢(shì),表現(xiàn)為溫度升高,ΦB隨溫度的升高而降低,Igss隨溫度的升高而逐漸增大。而在反向柵極電流傳輸機(jī)制中,平均勢(shì)壘高度隨溫度升高而降低的同時(shí),由于碰撞電離產(chǎn)生了大量的電子-空穴對(duì),注入到JFET 區(qū)柵極氧化物中的空穴濃度增大,勢(shì)壘高度進(jìn)一步降低,因此反向高偏壓下勢(shì)壘高度隨溫度升高下降的速度更快。本文研究的高電場(chǎng)下SiC/SiO2界面的電流傳導(dǎo)機(jī)制,有利于優(yōu)化SiC MOSFET 器件的工藝和可靠性設(shè)計(jì)。

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