SiC MOSFET 柵極漏電流傳輸機(jī)制研究*

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)。