碳化硅MOSFET的短路實驗性能與有限元分析法熱模型的開發(fā)

摘要：本文的目的是分析碳化硅MOSFET的短路實驗(SCT)表現(xiàn)。具體而言，該實驗的重點是在不同條件下進行專門的實驗室測量，并借助一個穩(wěn)健的有限元法物理模型來證實和比較測量值，對短路行為的動態(tài)變化進行深度評估。

　　前言

　　就目前而言，碳化硅(SiC)材料具有極佳的的電學和熱學性質，使得碳化硅功率器件在性能方面已經超越硅產品。在需要高開關頻率和低電能損耗的應用中，碳化硅MOSFET正在取代標準硅器件。半導體技術要想發(fā)展必須解決可靠性問題，因為有些應用領域對可靠性要求十分嚴格，例如：汽車、飛機、制造業(yè)和再生能源。典型的功率轉換器及相關功率電子元件必須嚴格遵守電氣安全規(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的臨界事件的沖擊 ^[1]。

　　沒有設備能夠監(jiān)測微秒級功率脈沖引起的器件內部溫度升高，當脈沖非常短時，只能用模擬方法估算晶體管結構內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性將能解釋實驗觀察到的失效模式。

　　在這種情況下，模擬工具和分析方法起著重要作用，因為了解在極端測試條件下結構內部發(fā)生的現(xiàn)象，有助于解決如何強化技術本身的魯棒性問題，從而節(jié)省開發(fā)時間^{[2]，[3]}。

　　本文簡要介紹了650V、45mΩ碳化硅功率MOSFET樣品的短路實驗，以及相關的失效分析和建模策略。

　　短路試驗分析與結構模擬

　　在做短路實驗(SCT)前，先用電壓電流曲線測量儀對待測樣品的柵極氧化層進行完整性測試，如圖1(a)所示。然后，對待測器件進行動態(tài)表征測試，評估其開關特性。 圖1(b)所示是典型開關表征的等效電路圖。圖1(c)所示是相關實驗的波形：Vgs、Vds、Id，以及在VDD = 400V、20A負載電流、Vgs=-5/20V、Rg =4.7Ω關斷時的功率分布Poff。計算出關斷能量Eoff，取值約25?J。

圖1(a)柵極氧化層測量，(b)開關表征等效電路(c)典型的關斷波形

　　圖2(a)所示是短路實驗的試驗臺，圖2(b)所示是實驗等效電路圖。

圖2實驗裝置：(a)試驗臺，(b)等效電路

　　圖3(a)所示是樣品1在失效條件下的短路實驗波形。施加一串時間寬度增量為250ns的單脈沖達到失效點。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=5,75?s脈沖短路實驗。

圖3(a)短路試驗動態(tài)波形 (b)和(c)柵極氧化層電學表征(d)短路試驗導致柵極氧化層退化后的關斷波形

　　在這個時步里，脈沖無法顯示失效模式，需要在下一個時步(tsc=6?s)中去驗證，此時，柵極氧化層被不可逆地損壞。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)過高導致的柵極氧化層失效，并且用曲線測量儀證實失效存在，如圖3(c)所示。觀察到的柵極氧化層退化與Eoff性能的動態(tài)變化相關，如圖3(d)所示。

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

圖4：退化后物理分析