不同應力下碳化硅場效應晶體管器件總劑量效應及退火特性*

顧朝橋 郭紅霞 潘霄宇 雷志峰張鳳祁 張鴻 琚安安 柳奕天

1) (湘潭大學材料科學與工程學院, 湘潭 411105)

2) (西北核技術研究所, 西安 710024)

3) (工業(yè)和信息化部第五研究所, 電子元器件可靠性物理及其應用技術國家重點實驗室, 廣州 510610)

以碳化硅場效應晶體管器件作為研究對象, 對其開展了不同電壓、不同溫度下的鈷源輻照實驗以及輻照后的退火實驗.使用半導體參數(shù)分析儀測試了器件的直流參數(shù), 研究了器件輻照敏感參數(shù)在輻照和退火過程中的變化規(guī)律, 分析了電壓、溫度對器件輻照退化產(chǎn)生影響的原因, 也探索了退火恢復的機理.結果表明: 輻照感生的氧化物陷阱電荷是造成碳化硅場效應晶體管器件電學參數(shù)退化的主要原因, 電壓和溫度條件會影響氧化物陷阱電荷的最終產(chǎn)額, 從而導致器件在不同電壓、不同溫度下輻照后的退化程度存在差異; 退火過程中由于氧化物陷阱電荷發(fā)生了隧穿退火, 導致器件電學性能得到了部分恢復.

1 引 言

航天器電源系統(tǒng)中的半導體器件會長期處于空間輻射環(huán)境中, 由于宇宙射線和各種帶電粒子的作用, 會使器件產(chǎn)生各種輻照效應, 導致器件的性能退化甚至失效, 降低器件工作的穩(wěn)定性和可靠性.隨著航空航天領域的不斷進步, 要求航天器中功率半導體器件向著高頻、高耐壓、高可靠性、抗輻照等方向發(fā)展[1,2].而半導體器件的性能往往與半導體材料密切相關, 作為第三代寬禁帶半導體材料的代表之一, 碳化硅(SiC)材料由于本身具有寬禁帶、高擊穿場強、高熱導率以及高飽和電子漂移速率等優(yōu)點, 可以用于高壓、高頻、高功率及高溫領域.相比于傳統(tǒng)硅基器件, SiC功率器件能夠實現(xiàn)提高電子設備工作效率、降低裝置體積和重量、增加抗輻照性能, 滿足新一代航天器對功率半導體器件的要求.因此, SiC基功率半導體器件在空間輻照環(huán)境中具有很大的應用前景[3-6].

目前, SiC場效應晶體管(SiC MOSFET)器件的輻照效應引起了人們極大的關注.2012年,Akturk等[7]利用60Co-γ射線對1200 V的SiC MOSFET功率器件開展總劑量實驗, 結果表明, 當累積劑量超過100 krad (Si)時, 器件仍然具有良好的性能, 但累積劑量超過300 krad (Si)時, 柵極-漏極之間電容將發(fā)生變化并會顯著影響器件的開關性能.2016年, Pavel和Stanislav[8]利用4.5 MeV的電子對1700 V的4H-SiC MOSFET功率器件進行了總劑量實驗, 結果表明, SiC MOSFET功率器件對于電子輻照十分敏感, 閾值電壓隨著累積劑量的增加會迅速降低.2019年, Pavel和Stanislav[9]對不同的SiC功率器件開展了總劑量輻照實驗, 結果表明, 包含氧化層的SiC器件受到輻照后更容易出現(xiàn)總劑量效應.但是, 半導體器件可能在各種復雜惡劣的環(huán)境下工作, 想要精確地評估器件的抗總劑量能力, 需要掌握器件的功能退化、失效規(guī)律與累積劑量以及電壓、溫度等應力條件之間的關系.根據(jù)先前的報道, MOS晶體管在輻照過程中電子空穴對的初始復合率對電場也有很強的依賴性[10].同時由于SiC材料具有較大的禁帶寬度, 因此雜質離化能較大, SiC基器件在室溫下僅有60%左右的雜質離化, 當溫度達到700 K時, 所有的雜質才會全部離化, SiC器件的最高工作溫度可達到800 K以上, 是一種用于高溫環(huán)境的理想器件[11,12].因此,在輻照過程中引入電壓、溫度等變量是精確評估SiC基半導體器件抗總劑量能力的必要條件.

地面模擬MOS器件的總劑量效應通常會用到高劑量率輻照配合一定條件的加速退火來等效空間輻射環(huán)境.SiC MOSFET器件在輻射后進行退火, 可以使其性能部分甚至完全恢復, 但是退火效應會受到退火時的環(huán)境溫度、時間、電場等因素的影響[13,14].因此, 對輻照后的SiC MOSFET進行不同環(huán)境下的退火實驗, 有助于深入地研究SiC MOSFET器件的退火機理.

本文利用γ射線對SiC MOSFET器件開展了不同電壓、不同溫度下的總劑量輻照實驗; 同時也對器件輻照后的退火效應進行了研究, 并基于Arrhenius模型, 分析了閾值電壓恢復時退火時間和溫度之間的函數(shù)關系.

2 實 驗

所用的器件為泰科天潤生產(chǎn)的商業(yè)級增強型的N溝道SiC MOSFET功率器件, 器件的結構示意圖如圖1所示.器件型號為G1 M080120 B, 采用TO-247封裝, 器件的基本參數(shù)如下: 閾值電壓Vth為4 V, 源漏擊穿電壓V(BR)DSS為1200 V, 額定電流為40 A.

圖1 4H-SiC MOSFET簡化示意圖Fig.1.Simplified schematic diagram of 4H-SiC MOSFET.

總劑量輻照實驗在60CO-γ射線源上進行, 并在輻照實驗中引入了電壓和溫度等變量.在探究電應力對器件輻照退化的影響時選取了柵壓偏置(VGS= 5 V, VDS= 0 V)、漏壓偏置(VGS= 0 V,VDS= 300 V)、零壓偏置(VGS= VDS= 0 V)進行總劑量輻照實驗, 在此基礎上又選取了1, 3, 5,10和20 V等不同柵壓進行總劑量輻照實驗; 在探究溫度應力對器件輻照退化的影響時選取了室溫和100 ℃兩個溫度變量進行總劑量輻照實驗, 輻照時的劑量率都為50 rad (Si)/s.輻照前后, 利用BC3193半導體分析儀以及B1500 A對器件的各項電學參數(shù)作出了詳細的表征.整個輻照過程中選取了50, 150, 250, 350和500 krad (Si)等5個劑量點.為了保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性, 器件輻照后的電學參數(shù)測試都在1 h內(nèi)完成.

當總劑量輻照實驗完成后, 對輻照后的SiC MOSFET器件進行不同溫度、不同電壓下的退火實驗, 整個退火過程持續(xù)一周的時間.并在特定的時間點取下器件移位到BC3193上進行電學性能的測量.

3 結果與分析

3.1 電應力對SiC MOSFET器件總劑量效應的影響

圖2和圖3分別給出了SiC MOSFET器件在不同偏置條件下輻照前后的轉移特性曲線、閾值電壓漂移量與累積劑量的關系.從圖中的實驗結果可以看出, 在500 krad (Si)的累積劑量下, 三類偏置條件下器件的轉移特性曲線都有明顯的向左漂移,器件的閾值電壓也有顯著的減小.與此同時, 發(fā)現(xiàn)實驗選用的偏置電壓條件對器件的輻照退化程度有很大影響, 在相同的累積劑量下, 柵壓偏置下器件的輻照退化最嚴重.當輻照劑量達到500 krad(Si)時, 柵壓偏置下閾值電壓的變化程度高達46%,漏壓偏置和零壓偏置下閾值電壓變化程度為24%.以上結果表明, 對于增強型N-MOSFET器件來說, 柵極施加電場是器件總劑量輻照過程中的最惡劣偏置.

圖2 不同偏置下SiC MOSFET輻照前后轉移特性曲線Fig.2.Transfer characteristics of SiC MOSFET before and after irradiation under different biasing conditions.

圖3 不同偏置下SiC MOSFET閾值電壓隨累積劑量的變化Fig.3.Variation of threshold voltage of SiC MOSFET with cumulative dose under different bias.

在此基礎上, 為了更加深入地探索柵極電場強度對SiC MOSFET器件輻照退化的影響, 開展了不同柵壓下的總劑量輻照實驗.圖4是1, 3, 5, 10和20 V等不同柵壓下器件輻照前后亞閾值區(qū)域的轉移曲線, 輻照累積的總劑量為500 krad(Si).從圖中結果來看, 不同柵壓偏置下輻照后器件的轉移曲線都向左漂移, 然而器件輻照后的退化程度并沒有隨著柵極電壓的增加而變大.與柵極電壓為1 V時相比, 當柵極電壓為3 V時器件輻照后的退化程度明顯增大; 但是與柵極電壓為3 V時相比,當柵極電壓為5, 10 和20 V時, 器件輻照后的退化程度明顯減小, 并且隨著柵壓增加這種變?nèi)醯某潭扔l(fā)明顯.值得注意的是, 柵壓為20 V時器件輻照后的退化程度甚至要略小于柵壓為1 V時的退化程度.經(jīng)過對器件閾值電壓的測試發(fā)現(xiàn), 當柵壓為1 V時, 輻照后器件閾值降低了1.3 V, 當柵壓為3 V時, 輻照后器件閾值電壓減小了1.9 V,當柵壓為20 V時, 輻照后器件閾值電壓減小了1.2 V.

圖4 不同柵壓下輻照前后的亞閾值區(qū)域轉移特性曲線Fig.4.Transferring characteristics of subthreshold region before and after irradiation under different gate pressures.

為了解釋這種總劑量輻照退化和電場之間的依賴關系, 需要從總劑量效應造成器件性能退化的物理過程來分析.總劑量效應造成SiC MOSFET器件的退化主要是由于輻照在器件柵氧化層中感生出陷阱電荷.當γ射線入射到SiC MOSFET中,會在氧化層中沉積能量, 當沉積的能量大于材料的禁帶寬度時, 部分被束縛的電子會吸收入射粒子沉積的能量, 使其從價帶躍遷到導帶, 在氧化層中產(chǎn)生大量的電子-空穴對.由于電子在氧化物介質中的遷移率遠大于空穴, 因此在外加電場的作用下,電子在極短時間內(nèi)(皮秒級)被掃出柵極, 在此之前空穴和電子會發(fā)生復合.逃脫復合的空穴則會通過躍遷的方式向著SiC/SiO2界面處移動, 當空穴躍遷至SiO2界面附近時, 會在界面附近的深層陷阱中被俘獲, 形成正的氧化物陷阱電荷[15-17].空穴躍遷過程中會釋放出氫元素, 并在SiC/SiO2界面處發(fā)生作用而產(chǎn)生界面態(tài)陷阱.氧化物陷阱電荷會導致SiC MOSFET器件的閾值電壓負漂, 界面態(tài)電荷會導致閾值電壓正漂, 可以認為閾值電壓的漂移由氧化陷阱電荷和界面態(tài)電荷共同決定[18].所以, 對于本次研究中的N溝道MOSFET器件來說, 相對于漏壓偏置和零偏, 柵極施加正的電壓會增加逃脫初始復合的空穴數(shù)量, 形成的陷阱電荷濃度也會更大, 增加器件的輻照退化程度, 這也解釋了為什么柵壓偏置是輻照時的最惡劣偏置.上文解釋了總劑量效應會在器件柵氧化層內(nèi)感生出氧化物陷阱電荷以及界面態(tài)電荷, 從而造成器件電學性能退化.因此, 想要深入地揭示SiC MOSFET器件的總劑量效應的物理機理, 首先就是要精確地計算出γ射線輻射時在器件柵氧化層內(nèi)部產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷以及界面態(tài)電荷的濃度.

精確計算出兩種陷阱電荷濃度的第一步是將氧化物陷阱電荷和界面態(tài)電荷對閾值電壓的貢獻量分離出來.在這里用ΔVot表示氧化物陷阱電荷對閾值電壓漂移做出的貢獻, 用ΔVit表示界面態(tài)電荷對閾值電壓漂移做出的貢獻, 輻照后閾值電壓的漂移量可以用(1)式表示.本研究采用了中帶電壓法對器件的兩種輻射感生電荷進行分離[19,20].中帶電壓Vmg就是指當費米能級與禁帶中心點重合時對應的柵極電壓.此時, 由于界面態(tài)呈電中性,不會引起閾值電壓的變化.因此, 可以認為閾值電壓的漂移都是由氧化物陷阱電荷引起的, 如(2)式所示.

綜上所述, 計算出閾值電壓漂移量ΔVth和中帶電壓Vmg就能精確分離兩種陷阱電荷對閾值電壓的貢獻量.閾值電壓ΔVth一般通過最大外推法來確定, 轉移曲線的最大跨導處的切線與橫軸的交點所對應的就是閾值電壓.中帶電壓Vmg的確定首先是利用(3)式和(4)式計算出中帶電流Img,然后在轉移特性曲線的亞閾值區(qū)域找到中帶電流Img所對應的柵壓, 此時的柵壓就是所求的Vmg.在這里需要注意的是, Img相對來說會很小, 因此可能要將轉移特性曲線中線性部分反向延長才能得到Vmg.

其中, Cox表示單位面積的柵氧化層電容, k表示玻爾曼茲常數(shù), T表示溫度, LB表示SiC中的德拜長度, ni表示溝道的載流子濃度, NA表示p-基區(qū)的摻雜濃度.

根據(jù)上述理論, 求出ΔVot和ΔVit后, 氧化物固定電荷濃度以及界面態(tài)電荷濃度可以通過(5)式和(6)式計算出:

式中, q表示電荷量.

基于圖4所示的不同柵壓下的亞閾值區(qū)域的轉移特性曲線, 利用上述的中帶電壓法分離得到不同柵壓下氧化物陷阱電荷濃度、界面態(tài)電荷濃度以及閾值電壓漂移量隨輻照時柵壓的變化, 如圖5所示.可以看出, 相較于柵壓為3 V時輻照后氧化物陷阱電荷的濃度, 在5, 10 和20 V時輻照后感生的氧化陷阱電荷濃度分別降低了22%, 37%和48%.同時發(fā)現(xiàn), 整個輻照過程界面態(tài)電荷濃度沒有增加, 認為當施加的柵壓超過3 V之后, 器件閾值電壓的漂移量減小是由氧化物陷阱電荷濃度減小造成的.

圖5 輻照后閾值電壓和陷阱電荷濃度隨柵壓的變化Fig.5.Variation of threshold voltage and trap charge concentration with gate voltage after irradiation.

對于柵壓和氧化物陷阱電荷俘獲率之間的關系可以這樣解釋, 隨著柵壓增加, 逃脫復合的空穴比例會增加, 但空穴俘獲截面會減小, 氧化層中俘獲空穴的數(shù)量主要依賴于俘獲截面[21,22].因此, 本研究表明, 在不同的柵壓下進行相同累積劑量輻照, 輻照后SiC MOSFET器件的氧化物陷阱電荷濃度不會隨著柵壓的增大而變大, 在柵壓超過3 V時, 空穴俘獲截面會減小.

3.2 溫度應力對SiC MOSFET器件總劑量效應的影響

圖6 (a)和圖6(b)分別給出了SiC MOSFET器件在室溫和100 ℃時, 輻照前后的輸出特性曲線.在輻照前后對器件的輸出特性進行測試時, 分別選取了VGS= 7 V以及VGS= 9 V的測試條件.從圖6(a)和圖6(b)所示的結果來看, γ射線輻照后會導致器件的漏源電流增加, 隨著累積劑量的增加漏源電流的變化量逐漸增大.圖7(a)和圖7(b)分別給出了SiC MOSFET器件在常溫和100 ℃時,輻照前后的亞閾值區(qū)域轉移特性曲線.從圖7(a)和圖7(b)可以看出, 隨著累積總劑量的增加, 輻照后器件的轉移特性曲線都逐漸向負電壓一側漂移,閾值電壓逐漸減小但輻照后曲線的斜率沒有明顯變化.同時, 圖中也反映出總劑量效應導致器件電學性能的退化會受到溫度應力的影響, 主要表現(xiàn)為在100 ℃下輻照時器件電學性能的退化程度更低.

圖6 SiC MOSFET器件在輻照前后輸出曲線 (a)常溫輻照; (b)100 ℃輻照Fig.6.Output curve of SiC MOSFET device before and after irradiation: (a) Normal temperature irradiation; (b) high temperature irradiation.

圖7 SiC MOSFET器件輻照的前后轉移曲線 (a)常溫輻照; (b)100 ℃輻照Fig.7.Transfer curve of SiC MOSFET devices before and after irradiation: (a) Normal temperature irradiation; (b) high temperature irradiation.

上述結果表明, 總劑量效應會使SiC MOSFET器件發(fā)生退化而導致器件閾值電壓、漏源電流等電學參數(shù)發(fā)生變化; 相較于100 ℃, 常溫環(huán)境是SiC MOSFET器件進行γ射線輻照時的惡劣輻照環(huán)境.關于總劑量效應導致SiC MOSFET器件的退化機理在上文中已經(jīng)進行了闡述, 為了解釋在常溫和100 ℃下輻照時, 器件退化程度存在差異的原因, 基于圖7(a)和圖7(b)所示的兩種溫度下器件輻照前后的轉移特性曲線, 利用中帶電壓法分離得到室溫和100 ℃時, 輻照感生的氧化物陷阱電荷和界面態(tài)電荷造成閾值電壓的漂移量ΔVot和ΔVit,如圖8所示.可以看出, 無論是在常溫還是100 ℃的環(huán)境下輻照, 造成器件閾值電壓退化的主要原因都是輻照在氧化層內(nèi)感生的氧化物陷阱電荷, 但在相同的累積劑量下, 100 ℃下進行輻照時感生的氧化物陷阱電荷濃度更低一些, 所以導致在此溫度下輻照時器件的退化程度更低.分析認為, 100 ℃下輻照時, 器件在輻照過程中發(fā)生了退火效應而導致氧化物陷阱電荷濃度變低, SiC MOSFET器件輻照后存在隧穿效應以及熱激發(fā)兩種退火方式.圖9給出了高溫輻照時隧穿效應的電荷分布情況, 當在100 ℃對器件進行輻照時, 一方面輻照會在器件的柵氧化層內(nèi)感生出氧化物陷阱電荷, 另一方面溝道電子會在100 ℃的溫度環(huán)境中獲得足夠穿過SiO2/SiC界面的能量, 在電場的作用下由溝道隧穿到氧化層內(nèi)與輻照感生的氧化物陷阱電荷發(fā)生中和, 使其濃度減小, 從而造成輻照退化程度降低.熱激發(fā)退火是將氧化層中由輻照感生的氧化物陷阱電荷通過熱激發(fā)的形式移除氧化層, 從而降低器件的輻照退化程度.

圖8 不同溫度下輻照時電壓漂移量和總劑量的關系Fig.8.Relationship between the voltage drift and the total dose during irradiation at different temperatures.

圖9 SiC MOSFET器件高溫輻照時隧穿效應電荷分布Fig.9.Tunneling effect charge distribution in SiC MOSFET devices irradiated at high temperature.

3.3 退火效應

為了研究輻照后的SiC MOSFET器件的退火效應, 對輻照后的器件開展了100 ℃的恒溫加速退火實驗, 整個退火實驗的周期為一周, 共計168 h,并在柵極施加了5和0 V的電壓, 整個退火過程中選取不同的時間點對器件的各項電學參數(shù)進行測量.圖10給出了柵壓為5 V時, 在100 ℃下進行168 h退火后器件的輸出特性曲線, 從圖10中的結果來看, 輻照后的器件經(jīng)歷168 h的高溫退火后曲線恢復了50%.圖11給出了在100 ℃時, 柵壓為5 和0 V時退火過程中閾值電壓隨時間的變化曲線, 可以看出, 退火時在柵極5 V的電壓會使閾值電壓的恢復量更大, 退火168 h后, 柵極加電時閾值電壓恢復了40%, 而不加電時閾值電壓僅恢復了11%.同時, 為了進行對比, 也開展了柵壓為5 V時的常溫退火實驗.圖12給出了柵壓為5 V時,在100 ℃和常溫下進行退火時閾值電壓隨時間的變化曲線, 通過對比兩種溫度下退火后的結果可以發(fā)現(xiàn), 經(jīng)歷168 h的高溫退火后閾值電壓恢復了40%, 而經(jīng)歷168 h的常溫退火后閾值電壓僅恢復了19%.

圖10 SiC MOSFET器件輻照后退火168 h后的輸出曲線Fig.10.Output curve of SiC MOSFET device after 168 h annealing after irradiation.

圖11 柵壓為5 和0 V退火時閾值電壓漂移量隨時間的變化關系Fig.11.Relationship of threshold voltage recovery with time under different gate voltage annealing conditions.

圖12 常溫和100 ℃退火時閾值電壓漂移量隨時間的變化關系Fig.12.Relationship of threshold voltage recovery with time at room temperature and annealing at 100 ℃.

上一節(jié)提到了高溫環(huán)境下器件輻照產(chǎn)生的退化會發(fā)生部分恢復, 這是由于高溫環(huán)境會引發(fā)器件發(fā)生隧穿退火或熱激發(fā)退火.結合圖11和圖12的退火恢復情況來看, 除了高溫這一重要因素外, 退火過程中給柵極施加正的電壓也會極大地促進退火恢復程度.結合兩種退火恢復機理的物理過程,說明器件100 ℃下輻照時, 主要發(fā)生的是隧穿退火而導致輻照退化程度降低.

為了更加直觀地反映出輻照后的器件退火恢復程度和退火溫度之間的物理關系, 本文引入了Arrhenius模型[23], 該模型是使用溫度應力實驗時最典型、應用最廣的加速模型.本文以相同的閾值電壓恢復量作為基準, 得到溫度度與時間的表達形式.所用的阿列尼斯經(jīng)驗公式如下:

式中A為常數(shù), k是玻爾曼茲常數(shù), E為激活能,T是絕對溫度, t是時間.

從(7)式可以看出, 時間t和溫度T之間存在一定的函數(shù)關系.在實驗過程選取兩組不同的退火溫度T1, T2, 閾值電壓恢復量相同時, 得到所需的時間分別為t1, t2, 如圖12所示.將實驗所得的溫度和時間代入(7)式, 得到如下公式:

根據(jù)(8)式, 可以計算出閾值電壓恢復時的激活能E = 0.33 eV, 在求得激活能E后代入(7)式可以得到溫度和時間之間的確切的函數(shù)關系式, 該函數(shù)的關系曲線如圖13所示.根據(jù)該函數(shù)曲線可求得任意溫度下退火時閾值電壓恢復所需的時間.

圖13 閾值電壓恢復時退火溫度與時間的函數(shù)曲線Fig.13.Function of annealing temperature and time when threshold voltage is restores.

4 結 論

本文針對SiC MOSFET功率器件開展了不同電場以及不同溫度下的總劑量輻照實驗, 并對輻照后的器件的退火特性進行了研究.實驗結果表明,總劑量效應會使器件的電學性能發(fā)生退化, 但應力條件的存在對其退化程度有較大影響.通過開展不同電應力下的輻照實驗發(fā)現(xiàn), 柵壓偏置下器件輻照后得閾值電壓漂移最明顯, 說明柵壓偏置是過程中的最惡劣偏置; 同時, 確定了輻照感生氧化物陷阱電荷濃度與柵壓大小的相關性, 發(fā)現(xiàn)輻照時較大的柵壓能降低輻照感生的氧化物陷阱電荷的濃度.通過開展不同溫度下的輻照實驗發(fā)現(xiàn), 高溫應力會使輻照后器件的退化程度變小.通過高溫退火實驗發(fā)現(xiàn)隧穿退火是器件電學性能恢復的主要原因, 并分析了閾值電壓恢復時退火時間和溫度之間量函數(shù)關系.