【The Concept of Safe Operating Area for Gate Dielectrics: the SiC/SiO2 Case Study】——IRPS2023
概括总结
这篇文章介绍了关于SiC MOSFETs栅介质的安全工作区（SOA）概念。文章首先定义了SOA为在应力时间—电场—温度空间内晶体管保持在数据表规格内的参数，这比传统的失效率（tfail）更有用。文章通过Weibull统计分析，得出在5ppm，20年，175°C条件下，onsemi SiC MOSFET产品的SOA大约是Vgs=21.5V。
引言：传统上，MOSFET晶体管栅介质的寿命通过恒定栅压时间依赖性击穿（TDDB）来评估，通过Weibull统计分析测量和分析tfail。然而，在TDDB应力期间，栅介质中会发生大量的电荷俘获，导致主要晶体管参数发生偏移。因此，从用户的角度来看，定义晶体管介质的安全工作区（SOA）更为合适。
设备和应力程序描述：研究使用的是产品类型的平面SiC MOSFETs，具有1.2kV的电压等级和20mΩ的导通电阻。在TO-247封装的器件上进行了不同栅压应力电压和应力时间长达7个月的恒定栅压TDDB。在应力期间，持续监控栅电流Ig，并以1ms的精度提取tfail。
TDDB数据—电子俘获区域：在175°C下对SiC设备进行的TDDB实验中，Ig-t曲线显示Ig在应力时间中相对恒定，直到所有Ig-t曲线达到某个“包络曲线”后Ig下降。这个下降是由于栅压应力导致的过量电子俘获。
温度和电荷俘获：在高温下，电子俘获是主要机制，导致正Vth偏移。在低温下，空穴俘获导致大的负Vth偏移，强烈依赖于栅压应力电压。
Vth偏移建模：Vth偏移可以通过考虑电子和空穴俘获的冲突效应来建模。实验数据显示，电子俘获呈现对数时间依赖性，而空穴俘获呈现指数行为。
俘获电荷的恢复：为了确定俘获的电荷是否永久或可恢复，进行了在0°C和175°C下中断和重新开始的TDDB实验。
总安全工作区：文章展示了SiC MOSFET晶体管的总SOA。在175°C时，SOA受电子俘获效应限制。通过Ig-t曲线在TDDB应力期间提取Weibull分布的参数t0，并使用E模型对Vgs使用条件进行外推。
结论：文章介绍了SiC MOSFETs栅介质的安全工作区概念，并定义了SOA为晶体管保持在数据表规格内的应力时间—电场—温度空间。在175°C时，电子俘获导致正Vth偏移限制了SOA。使用Weibull统计，得出在175°C，5ppm，20年条件下的SOA大约是Vgs=21.5V。
试验方法：
文中提到的器件和应力试验方案是为了研究SiC MOSFETs栅介质的安全工作区（SOA）。以下是对这些方案的详细阐述：
器件描述：
- 研究中使用的器件是产品类型的平面SiC MOSFETs。
- 这些器件具有1.2kV的电压等级和20mΩ的导通电阻（Ron）。
- 这些器件被用于进行恒定栅压时间依赖性击穿（TDDB）测试。
应力试验方案：
- 试验在TO-247封装的器件上进行，施加不同的栅压应力电压，并持续应力时间长达7个月。
- 在应力期间，持续监控栅电流（Ig），并准确到1毫秒（ms）提取失效率（tfail）。
- Ig-t曲线包含了有关栅介质中电荷俘获效应的信息。
- 为了确定SOA，根据Vth（阈值电压）和Ron（导通电阻）的变化，使用自制系统在晶圆级别测量在选定时间间隔内的IdVg特性。
- 在不同的栅压应力电压和温度下进行测量。
应力条件和监测：
- 试验在175°C的温度下进行，这是为了模拟高温条件下的电子俘获效应。
- 通过Weibull统计分析，研究了在5ppm失效率下，20年使用寿命的SOA。
- 通过E模型和Weibull统计，对最长的应力条件进行了外推，以预测在不同使用条件下的SOA。
- 通过中断和重启TDDB实验，研究了在0°C和175°C下俘获电荷的恢复情况。
数据提取和分析：
- 通过Ig-t曲线，定义了“t0”作为Ig开始下降的时间点，这是由于电子俘获导致的。
- 使用Weibull分布分析了t0和Q0（Q0定义为从t=0秒到t0的Ig-t曲线的积分）。
- 通过模型拟合和参数提取，分析了Vth偏移与应力时间的关系。
- 通过对比不同温度和栅压下的Vth偏移，研究了空穴俘获和电子俘获的影响。
这些器件和应力试验方案为研究SiC MOSFETs的长期可靠性和定义SOA提供了重要的实验数据和分析方法。通过这些方案，研究人员能够更好地理解在不同工作条件下晶体管的行为，并预测其寿命和性能。
电子俘获：
在文中的第三节，作者详细讨论了SiC MOSFETs在高温条件下电子俘获对栅介质的影响。这一部分的研究对于理解和预测SiC MOSFETs的长期可靠性至关重要，因为电子俘获会导致晶体管性能的退化，进而影响其安全工作区（SOA）。以下是对第四节电子俘获部分的总结：
电子俘获的影响
电子俘获是指在栅压应力下，电子被栅介质俘获并困在那里的现象。在高温条件下，电子俘获成为影响SiC MOSFETs性能的主要机制。文中指出，在175°C的高温下进行的TDDB测试显示，电子俘获导致栅电流Ig下降，这是通过Ig-t曲线的变化观察到的。Ig在应力初期保持相对恒定，直到达到一个特定的时间点“t0”，此后Ig开始下降，表明电子俘获开始显著增加。
电子俘获的建模和分析
为了更好地理解电子俘获的影响，文中提出了一个基于Weibull统计的模型来描述电子俘获和栅电流下降的关系。在这个模型中，t0被定义为Ig开始下降的时间点，即Ig-t曲线与包络曲线的交点。通过这种方式，研究人员能够量化电子俘获的严重程度，并预测在不同应力条件下晶体管的行为。
图1展示了在不同应力电压下，SiC设备的Ig-t曲线。这些曲线显示了在175°C下进行的TDDB测试中，电子俘获如何随时间变化。通过这些曲线，研究人员能够观察到电子俘获的起始点和其随时间的增长趋势。
电子俘获的温度依赖性
还探讨了电子俘获的温度依赖性。通过在不同温度下进行TDDB测试，研究人员发现，电子俘获在高温下更为显著。这意味着在高温条件下，电子俘获对SOA的限制更为严格。文中的图3展示了t0的Weibull分布，这进一步证实了电子俘获在高温下的重要性。
为了描述电子俘获的物理过程，文中使用了Arrhenius模型来估计电子俘获的激活能。通过在不同温度下收集的TDDB数据，研究人员能够估计电子俘获的激活能约为0.15eV。这个激活能的估计有助于预测在不同温度下电子俘获的行为，从而为设计和优化SiC MOSFETs提供了重要的信息。
电子俘获对SOA的影响
电子俘获对SiC MOSFETs的SOA有直接影响。文中的图2展示了在高温下，电子俘获导致的Vth正向偏移和Ron的微小变化。这些变化表明，尽管晶体管在t0之前仍然符合数据表规格，但在t0之后，晶体管的性能将开始退化，最终可能导致晶体管失效。
通过使用E模型和Weibull统计，研究人员能够外推t0到不同的使用条件，从而预测在不同温度和电场下晶体管的SOA。文中的图5展示了在175°C下，使用E模型和Weibull统计外推t0到最大和使用栅压条件的结果。这些结果表明，在20年、5ppm失效率条件下，t0略低于最大栅压Vmax。
电子俘获总结
电子俘获是影响SiC MOSFETs长期可靠性的关键因素之一。在高温条件下，电子俘获导致栅电流Ig下降，Vth正向偏移，以及晶体管性能的退化。通过Weibull统计和Arrhenius模型的分析，研究人员能够量化电子俘获的影响，并预测在不同应力条件下晶体管的SOA。这些研究结果对于设计和优化SiC MOSFETs的可靠性至关重要，有助于提高这些器件在高温应用中的性能和寿命。通过理解和控制电子俘获过程，可以显著提高SiC MOSFETs的SOA，从而扩展其在各种应用中的使用范围。
空穴俘获：
在文章的第四节中，作者详细探讨了在低温条件下SiC MOSFETs栅介质中空穴俘获的影响。这部分研究对于全面理解SiC MOSFETs在不同温度下的行为至关重要，尤其是在评估和预测其在实际应用中的可靠性和安全工作区（SOA）方面。以下是对第五节空穴俘获部分的细致分析总结：
空穴俘获的影响
空穴俘获是指在栅压应力下，空穴被栅介质俘获并困在那里的现象。在低温条件下，空穴俘获对SiC MOSFETs的性能和可靠性有显著影响。文档中指出，在0°C的低温下进行的TDDB测试显示，空穴俘获导致Vth（阈值电压）的负向偏移。这种偏移是由于空穴俘获造成的电荷分布变化，进而影响了晶体管的工作状态。
空穴俘获的实验观察
实验观察表明，在低温下，空穴俘获在应力初期导致Vth下降，但随着应力时间的增加，电子俘获成为主导机制。文档中的图6展示了在0°C和37V栅压下进行的TDDB应力期间的IdVg特性，以及相应的Ig-t曲线。这些数据显示，Vth在应力初期下降，之后在大约500秒的应力时间后达到最小值，然后开始上升。与此同时，Ig在应力初期增加，之后达到一个平台并开始下降。这些变化表明，空穴俘获和电子俘获在低温下共同作用，影响了晶体管的性能。
空穴俘获的建模和分析
为了更好地理解空穴俘获的影响，文章中提出了一个模型来描述空穴俘获和Vth偏移的关系。模型考虑了空穴俘获的指数行为，并与实验数据进行了拟合。通过分析不同应力电压和温度下的Vth偏移，研究人员能够建立空穴俘获的模型，并预测在不同条件下晶体管的行为。
文档中的图7展示了在0°C下，不同栅压应力电压下Vth偏移与应力时间的关系，以及在固定栅压应力电压下，不同温度下Vth偏移与应力时间的关系。这些数据表明，空穴俘获在低温下更为显著，而在高温下，电子俘获的影响更为重要。
空穴俘获的电压相关性
文章还探讨了空穴俘获的电压依赖性。研究发现，随着栅压应力电压的增加，负Vth偏移变得更加显著，且达到最小Vth的时间缩短。这表明，在较高的栅压下，空穴俘获的影响更为严重。然而，文档中的图8显示，对于Vgs小于32V的情况，负Vth偏移小于0.1V，这意味着在合理的使用条件下，空穴俘获的影响可以忽略不计。
空穴俘获对SOA的影响
空穴俘获对SiC MOSFETs的SOA有直接影响。在低温下，由于空穴俘获导致的负Vth偏移可能成为限制SOA的主要因素。文档中的图13展示了SiC MOSFET晶体管的总SOA，其中低温下的空穴俘获效应被表示为绿色线。这条线指示了达到0.5V负Vth偏移的时间，从而定义了低温条件下的SOA边界。
空穴俘获总结
空穴俘获是影响SiC MOSFETs在低温条件下可靠性的关键因素之一。在低温下，空穴俘获导致Vth的负向偏移，从而影响晶体管的性能和SOA。通过实验观察和模型分析，研究人员能够量化空穴俘获的影响，并预测在不同应力条件下晶体管的行为。这些研究结果对于设计和优化SiC MOSFETs的可靠性至关重要，有助于提高这些器件在低温应用中的性能和寿命。通过理解和控制空穴俘获过程，可以显著提高SiC MOSFETs的SOA，从而扩展其在各种应用中的使用范围。此外，这些发现还有助于指导实际应用中的应力测试和可靠性评估，确保SiC MOSFETs在安全和有效的工作区内运行。
阈值电压漂移建模
在SiC MOSFETs中，阈值电压漂移是由于在栅介质中发生的电荷捕获和释放过程导致的。这种漂移会影响晶体管的电性能，并可能导致晶体管失效。为了预测和评估这种影响，研究人员开发了数学模型来描述Vth漂移的行为。
模型的建立：
- 研究人员提出了一个包含电子和空穴捕获效应的Vth漂移模型。该模型考虑了两种捕获机制对Vth的影响：电子捕获导致Vth增加，而空穴捕获导致Vth减少。
- 模型采用了一个组合函数，其中第一项代表电子捕获（具有对数时间依赖性），第二项模拟空穴捕获（指数时间依赖性）。
模型参数：
- 模型中的参数A和C分别代表电子和空穴捕获的幅度，而参数B和τ分别是电子捕获起始的时间偏移和空穴捕获的时间常数。
- 通过拟合实验数据，研究人员能够确定这些参数的值，并使用它们来预测在不同应力条件下Vth的变化。
模型的验证：
- 通过将模型拟合到实验数据，研究人员验证了模型的准确性。模型能够很好地描述在不同温度和应力条件下Vth的变化趋势。
- 模型的个体组成部分表明，在低温下空穴捕获效应非常显著，而在高温下电子捕获成为主要机制。
模型的应用：
- 该模型不仅有助于理解Vth漂移的物理机制，还可以用于预测SiC MOSFETs在不同工作条件下的可靠性。
- 通过模型，研究人员可以确定在特定温度和电场下晶体管的安全工作区，从而为设计和应用提供指导。
俘获电荷恢复
俘获电荷的恢复是指在应力测试中断后，之前被捕获的电荷部分或全部返回到其原始状态的过程。这一过程对于评估SiC MOSFETs的长期稳定性和可靠性同样重要。
电荷恢复的实验设计：
- 为了研究电荷恢复，研究人员进行了TDDB实验，在一定时间后中断应力，并在移除栅压后等待一段时间。
- 实验在不同的温度下进行，以观察温度对电荷恢复行为的影响。
电荷恢复的观察：
- 在高温（175°C）下，Vth和栅电流（Ig）显示出部分恢复，但没有完全恢复到初始状态。
- 在低温（0°C）下，观察到的电荷恢复非常有限，这表明在低温条件下捕获的电荷可能是永久性的。
电荷恢复的机制：
- 电荷的部分恢复被认为是由于被捕获的电子和空穴通过热发射过程返回到导带和价带。
- 在高温下，热发射过程更为活跃，因此观察到更多的电荷恢复。
电荷恢复对可靠性的影响：
- 电荷恢复的能力对于预测SiC MOSFETs的长期行为至关重要。如果俘获的电荷不能恢复，晶体管的性能可能会持续退化，最终导致失效。
- 通过理解电荷恢复的机制和程度，可以更好地评估晶体管的可靠性，并为设计具有更长寿命的器件提供依据。
电荷恢复的模型和预测：
- 研究人员可能会开发模型来描述电荷恢复过程，并预测在不同条件下的恢复行为。
- 这些模型可以帮助优化器件的设计，例如通过调整栅介质的材料和结构来提高电荷恢复的效率。