ST - 碳化硅MOSFET的短路實(shí)驗(yàn)性能與有限元分析法熱模型的開(kāi)發(fā)

就目前而言，碳化硅(SiC)材料具有極佳的的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，使得碳化硅功率器件在性能方面已經(jīng)超越硅產(chǎn)品。在需要高開(kāi)關(guān)頻率和低電能損耗的應(yīng)用中，碳化硅MOSFET正在取代標(biāo)準(zhǔn)硅器件。半導(dǎo)體技術(shù)要想發(fā)展必須解決可靠性問(wèn)題，因?yàn)橛行?yīng)用領(lǐng)域?qū)煽啃砸笫謬?yán)格，例如：汽車、飛機(jī)、制造業(yè)和再生能源。典型的功率轉(zhuǎn)換器及相關(guān)功率電子元件必須嚴(yán)格遵守電氣安全規(guī)則，要能在惡劣條件下保持正常工作，其魯棒性能夠耐受短路這種最危險(xiǎn)的臨界事件的沖擊

沒(méi)有設(shè)備能夠監(jiān)測(cè)微秒級(jí)功率脈沖引起的器件內(nèi)部溫度升高，當(dāng)脈沖非常短時(shí)，只能用模擬方法估算晶體管結(jié)構(gòu)內(nèi)部和相鄰層的溫度上升。此外，溫度估算及其與已知臨界值的相關(guān)性將能解釋實(shí)驗(yàn)觀察到的失效模式。

在這種情況下，模擬工具和分析方法起著重要作用，因?yàn)榱私庠跇O端測(cè)試條件下結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生的現(xiàn)象，有助于解決如何強(qiáng)化技術(shù)本身的魯棒性問(wèn)題，從而節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間[2]，[3]。

本文簡(jiǎn)要介紹了650V、45mΩ碳化硅功率MOSFET樣品的短路實(shí)驗(yàn)，以及相關(guān)的失效分析和建模策略。

短路試驗(yàn)分析與結(jié)構(gòu)模擬

在做短路實(shí)驗(yàn)(SCT)前，先用電壓電流曲線測(cè)量?jī)x對(duì)待測(cè)樣品的柵極氧化層進(jìn)行完整性測(cè)試，如圖1(a)所示。然后，對(duì)待測(cè)器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)表征測(cè)試，評(píng)估其開(kāi)關(guān)特性。 圖1(b)所示是典型開(kāi)關(guān)表征的等效電路圖。圖1(c)所示是相關(guān)實(shí)驗(yàn)的波形：Vgs、Vds、Id，以及在VDD = 400V、20A負(fù)載電流、Vgs=-5/20V、Rg =4.7Ω關(guān)斷時(shí)的功率分布Poff。計(jì)算出關(guān)斷能量Eoff，取值約25mJ。

圖1(a)柵極氧化層測(cè)量，(b)開(kāi)關(guān)表征等效電路(c)典型的關(guān)斷波形

圖2(a)所示是短路實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)，圖2(b)所示是實(shí)驗(yàn)等效電路圖。

圖3(a)所示是樣品1在失效條件下的短路實(shí)驗(yàn)波形。施加一串時(shí)間寬度增量為250ns的單脈沖達(dá)到失效點(diǎn)。觀察到脈沖間延遲為5秒。在VDD = 400V、Vgs = 0/20V和Rg =4.7Ω的條件下，樣品1順利完成tsc=5,75ms脈沖短路實(shí)驗(yàn)。

圖3(a)短路試驗(yàn)動(dòng)態(tài)波形 (b)和(c)柵極氧化層電學(xué)表征

(d)短路試驗(yàn)導(dǎo)致柵極氧化層退化后的關(guān)斷波形

在這個(gè)時(shí)步里，脈沖無(wú)法顯示失效模式，需要在下一個(gè)時(shí)步(tsc=6ms)中去驗(yàn)證，此時(shí)，柵極氧化層被不可逆地?fù)p壞。觀察到漏極電流Id和Vgs下降(圖3(a))。在圖3(b)中觀察到的損壞是短路能量(Esc)過(guò)高導(dǎo)致的柵極氧化層失效，并且用曲線測(cè)量?jī)x證實(shí)失效存在，如圖3(c)所示。觀察到的柵極氧化層退化與Eoff性能的動(dòng)態(tài)變化相關(guān)，如圖3(d)所示。

隨后，對(duì)失效器件進(jìn)行失效分析，在后側(cè)和前側(cè)用光電子能譜確定缺陷位置，并用聚焦離子束方法進(jìn)行“熱點(diǎn)”截面分析。 圖4所示的物理缺陷本質(zhì)上是多晶硅層熔化，與電廢料一致。

表1總結(jié)了測(cè)試器件中兩個(gè)樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從測(cè)量結(jié)果看，兩個(gè)樣品的損耗程度不同。 樣品1的本征柵源電阻為3.3kΩ，除連續(xù)柵極電流吸收異常外，MOSFET的其它功能未受任何影響。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)操作條件，樣品2本征柵源電阻低很多，而柵極吸收電流卻升高。即使開(kāi)關(guān)能量在受損最嚴(yán)重的樣品上顯著提高，兩個(gè)樣品仍然能夠維持功能正常，如圖3(d)所示。

表1短路實(shí)驗(yàn)最終結(jié)果和樣品特性。

因此，為了解釋失效機(jī)理，我們使用Silvaco工具[4]在短路實(shí)驗(yàn)靜態(tài)條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬，如圖5(a)所示，并且提取了碳化硅結(jié)構(gòu)內(nèi)部電壓/電流密度分布數(shù)據(jù)，如圖5(b)所示。 在Atlas(用于器件模擬的Silvaco工具)中，F(xiàn)E器件的柵極偏壓最高20V，漏極觸點(diǎn)偏壓最高400V。使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集微調(diào)傳導(dǎo)模型，以便在飽和條件下也能取得適合的閾值電壓或I-V特性。柵極氧化層與碳化硅界面處的狀態(tài)能量密度分布，各向異性遷移率值和電子飽和速度，是在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬輸出之間實(shí)現(xiàn)良好匹配的關(guān)鍵參數(shù)。 傳導(dǎo)模型可提供在短路實(shí)驗(yàn)期間芯片上耗散功率的精確分布，所以傳導(dǎo)模型微調(diào)對(duì)建模策略具有非常重要的意義。

圖5 Silvaco工具：(a)模擬的垂直剖面圖 (b)功率分布圖

本文提出的建模方法就是，使用Silvaco工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬，根據(jù)模擬輸出的功率分布數(shù)據(jù)，為有限元方法(Comsol Multiphysics[5])物理模型提供隨時(shí)間變化的功率分布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 該模型專門用于研究類似于持續(xù)幾微秒的短路類事件，理解并解釋在短功率脈沖期間碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生的情況，同時(shí)將碳化硅的熱特性(熱導(dǎo)率和熱容量)視為溫度的函數(shù)。利用這個(gè)新模型研究?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)的熱行為，并評(píng)估結(jié)和周圍層的溫度。圖6(a)和圖6(b)所示是溫度達(dá)到峰值時(shí)的熱圖和熱通量，指示了最高溫度所在的位置(圖6(a))以及在整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量是如何傳遞的(圖6(b))。熱分布可發(fā)現(xiàn)短路試驗(yàn)主要涉及器件的哪些部分，解釋實(shí)驗(yàn)觀察到的失效模式。圖6(c)顯示了不同層的溫度分布與時(shí)間的關(guān)系：溫度峰值是結(jié)構(gòu)頂層的溫度，與當(dāng)前已知的臨界值一致[6]。

結(jié)論

本文創(chuàng)建的有限元熱模型考慮到了MOSFET的物理結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該建模方法能夠估算在短功率脈沖特別是短路實(shí)驗(yàn)條件下，結(jié)和周圍層中的溫度分布情況，解釋了實(shí)驗(yàn)觀察到的失效現(xiàn)象。

鑒于沒(méi)有設(shè)備能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到如此短暫的脈沖在被測(cè)器件上產(chǎn)生的溫度上升，并且典型熱模型是為量產(chǎn)封裝或系統(tǒng)器件開(kāi)發(fā)的，無(wú)法有效地用于分析此類事件，因此，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)建模策略實(shí)施具有非常重要的意義。