1700V SiC MOSFET器件设计及可靠性研究

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由于集成电路产业的迅速发展和电力电子功率系统对高效率的要求,以碳化硅(SiC)为典型代表的第三代半导体(宽禁带半导体)引起普遍重视。因为优良材料特性,SiC功率器件可以在高温、高压、高频条件下工作。相比于传统硅基器件,SiC功率器件具有更低的功率损耗,可显著提高传输效率,减小芯片面积。目前,国外中低压SiC MOSFET器件已经成功商业化,但国内SiC MOSFET器件还处于小批量验证阶段。对于SiC MOSFET器件,栅氧质量诱发了诸多可靠性问题。SiC/Si O2界面态密度高造成了阈值电压不稳定,阈值电压增大会增大器件导通损耗,而阈值电压减小极易导致器件误开启。因此,开展SiC MOSFET器件可靠性研究具有重要意义。本论文主要设计了一款平面型1700V SiC MOSFET,基于国内碳化硅功率器件制造平台进行了流片实验,完成了器件样品的动静态特性测试分析,并采用阈值电压偏压温度不稳定性(Bias Temperature Instability,BTI)方法初步评估了器件栅氧可靠性。首先,基于Silvaco TCAD仿真平台,设计优化了平面型1700V SiC MOSFET器件结构,结合理论公式计算出器件N型漂移区厚度为15μm及掺杂浓度为6×1015cm-3。结合实际工艺加工能力,确定了两组Pbase区注入条件,Pbase区峰值浓度为1×1018cm-3,表面浓度为1×1016cm-3。在上述两组注入条件下分别对JFET区掺杂浓度和JFET区宽度进行拉偏,确定JFET区掺杂浓度为1×1016cm-3,JFET区宽度依次为2.0μm、2.2μm、2.4μm。研究了栅氧化层电荷对器件静态电学参数的影响,并对开关特性和UIS特性进行仿真分析。在终端结构设计中,主要研究了多区缓变间距场限环的分组方式和初始环间距对器件击穿电压和横向电场分布的影响,获得击穿电压为2148V,终端效率为97%。根据仿真参数设计了器件版图,完成流片实验。其次,对1700V SiC MOSFET流片样品进行了动静态测试分析,流片样品的阈值电压为3.4V,比导通电阻为8.7mΩ·cm~2,反向击穿电压为1990V。样品输入电容、输出电容、转移电容依次为3.41n F、127p F、22.7p F。样品的开启时间约为200ns,开启损耗为44m J/cm~2;关断时间约为100ns,关断损耗为22m J/cm~2。样品雪崩电压为2350V,单次雪崩能量为1.2J/cm~2。最后初步测试评估了SiC MOSFET器件的阈值电压稳定性。当温度为175℃时,阈值电压下降至2.1V。器件DC_BTI测试发现,1小时正栅压应力后阈值电压增大了0.5V;1小时负栅压应力后阈值电压减小了0.4V。通过搭建动态栅压下偏置温度不稳定性(AC_BTI)测试平台,开展了1700V SiC MOSFET样品AC_BTI实验研究,结果表明11小时动态栅应力后器件阈值电压增加了0.6V。
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