贏得2021 年IRPS（IEEE 國(guó)際可靠性物理研討會(huì)）最佳論文獎(jiǎng)需要什么？每年有數(shù)十萬篇科學(xué)論文出現(xiàn)在電氣和電子工程專業(yè)的出版物中。然而，是什么讓他們中的一個(gè)人值得稱贊？為什么一篇關(guān)于MOSFET 擊穿和 4H-SiC 外延缺陷之間相關(guān)性的論文脫穎而出？這篇論文甚至?xí)诮衲戢@得認(rèn)可。隨著IRPS 2022于 3 月 27 日開幕，其貢獻(xiàn)得到了研討會(huì)組織者的進(jìn)一步認(rèn)可。找出為什么 ST 博客與該論文的主要作者 Patrick Fiorenza 以及他的一些合著者 Santi Alessandrino、Fabrizio Roccaforte 和 Alfio Russo 坐下來。

簡(jiǎn)而言之，該研究揭示了新發(fā)現(xiàn)的某些缺陷與碳化硅功率器件的可行性之間的關(guān)系。它是 ST 與意大利國(guó)家研究委員會(huì)微電子與微系統(tǒng)研究所 （Consiglio Nazionale delle Ricerche – Istituto per la Microelettronica e Microsistemi 或 CNR-IMM） 共同努力的產(chǎn)物。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在意法半導(dǎo)體位于意大利卡塔尼亞的場(chǎng)地共享一個(gè)空間，在那里他們研究碳化硅、氮化鎵等。因此，讓我們來探討一下他們是如何提出這篇獲獎(jiǎng)?wù)撐牡?，以及它如何影響下一代ST 目前正在開發(fā) SiC 功率器件。

非功能性 4H-SiC 模具

為什么要談?wù)?4H-SiC？

研究論文指出了兩類缺陷：短期和長(zhǎng)期。其中，最嚴(yán)重的是

類型，因?yàn)樗鼜囊婚_始就不起作用。這篇論文是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗状谓沂玖司w缺陷和故障率之間的直接關(guān)系。

4H-SiC。正如我們?cè)陉P(guān)于汽車碳化硅的博客文章中看到的那樣，4H-SiC 因其物理特性而備受青睞。它在 947 cm 2 /Vs時(shí)提供比 6H-SiC 更好的電子遷移率，但由于其六方晶格中的四個(gè)雙層原子結(jié)構(gòu)，它比 3C-SiC 更容易制造。

是什么導(dǎo)致了這一發(fā)現(xiàn)？

作者解釋了他們?nèi)绾问褂迷恿︼@微鏡和使用掃描電子顯微鏡的橫截面來觀察

. 他們發(fā)現(xiàn)存在結(jié)晶沉淀物，或者通俗地說，外延層底部看起來像“巖石”的結(jié)構(gòu)，高度約為 1.90 μm。簡(jiǎn)而言之，作者試圖理解為什么這些設(shè)備“一到就死”，這使他們更深入地研究并發(fā)現(xiàn)了結(jié)晶沉淀物與缺陷率之間的新關(guān)系。因此，ST 和 CNR-IMM 的論文獲得了該獎(jiǎng)項(xiàng)，因?yàn)樗砸环N新的方式探索了 SiC 芯片。

這樣的發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了什么？

自本文發(fā)表以來，ST 學(xué)會(huì)了優(yōu)化我們的 4H-SiC 器件的外延反應(yīng)室和制造工藝。因此，該研究展示了對(duì)理解 4H-SiC 器件背后物理原理的熱情如何影響實(shí)際應(yīng)用。事實(shí)上，由于這些發(fā)現(xiàn)，意法半導(dǎo)體可以提高產(chǎn)量，從而制造出更具成本效益和更耐用的設(shè)備。反過來，我們可以期待 4H-SiC 功率 MOSFET 滲透到更多的市場(chǎng)和應(yīng)用，從而有助于提高能源效率。隨著社會(huì)應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境挑戰(zhàn)，積極影響產(chǎn)品能源消耗的能力仍然是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。

對(duì)剩余的 4H-SiC 模具進(jìn)行壓力測(cè)試

揭示了哪些高溫柵極偏置應(yīng)力測(cè)試？

一旦研究人員篩選出

死后，他們將功能正常的產(chǎn)品放入一個(gè)包裝中并對(duì)其進(jìn)行壓力測(cè)試。第一個(gè)挑戰(zhàn)是高溫柵極偏置應(yīng)力，它提高了柵極氧化物處的電場(chǎng)?？茖W(xué)家們?nèi)绱伺Φ赝苿?dòng)這些設(shè)備的原因是為了監(jiān)測(cè)正常和惡劣條件下的行為。有趣的是，他們注意到一些設(shè)備在 3 MV/cm 時(shí)已經(jīng)表現(xiàn)出異常行為。為了了解為什么會(huì)發(fā)生這種情況，他們?cè)谠恿︼@微鏡下檢查了有問題的芯片，結(jié)果顯示柵極氧化物上存在 20 nm 到 30 nm 之間的凸塊。

這一發(fā)現(xiàn)是一項(xiàng)突破，因?yàn)樗兄趯?duì)最初看起來工作正常但在生產(chǎn)過程中幾乎無法發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行分類。該研究論文不僅解釋了為什么這些器件具有異常的柵極傳導(dǎo)，而且還展示了高溫柵極偏置測(cè)試的重要性。因此，這些結(jié)果將有助于代工廠更好地監(jiān)控其 SiC 器件的質(zhì)量。

揭示了什么高溫反向偏差？

在第一次壓力測(cè)試之后，這些芯片進(jìn)行了另一次試驗(yàn)：高溫反向偏置。該基準(zhǔn)持續(xù)了三個(gè)月，用于模擬幾十年的正常使用。簡(jiǎn)而言之，它幫助作者確定所有設(shè)備在其整個(gè)生命周期內(nèi)是否都能正常運(yùn)行。雖然其中 98% 的人這樣做了，但另外 2% 的人發(fā)現(xiàn)柵極電流異常，柵極電流是正常值的 7 倍。在現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用程序中，這種行為將代表嚴(yán)重的故障。挑戰(zhàn)在于，這個(gè)被稱為“無聲殺手”的缺陷雖然一直存在，但只有在多年的正常使用后才會(huì)顯現(xiàn)出來。

作者首先使用掃描電子顯微鏡了解出了什么問題，但沒有發(fā)現(xiàn)任何異常。結(jié)果，他們改用透射電子顯微鏡，發(fā)現(xiàn)柵極絕緣體下方的半導(dǎo)體存在缺陷。為了進(jìn)一步了解它是什么，作者使用了原子力顯微鏡，這使他們能夠發(fā)現(xiàn)高度在 18 nm 和 30 nm 之間的三角形缺陷，具體取決于壓力測(cè)試的持續(xù)時(shí)間。在這一點(diǎn)上，他們了解到從襯底到外延層存在螺紋位錯(cuò)。因此，他們使用掃描電容顯微鏡來顯示對(duì) MOSFET 器件的物理影響并解釋其錯(cuò)誤的電氣行為。

只是因?yàn)榭茖W(xué)家們使用了如此多的調(diào)查技術(shù)，他們才能夠理解發(fā)生了什么。簡(jiǎn)而言之，穿透位錯(cuò)會(huì)影響 4H-SiC 器件的價(jià)帶，從而有效地縮小其繃帶。正如我們?cè)诓┛蜕隙啻慰吹降哪菢?，SiC 的寬繃帶是該設(shè)備出色的電氣特性的原因。因此，任何導(dǎo)致其收縮的因素都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。在這種情況下，價(jià)帶增加了大約 0.8 eV 到 1 eV，這是很重要的。相比之下，SiC 的繃帶在 2.3 eV 和 3.3 eV 之間變化，而 4H-SiC 則為 3.23 eV。

人類合作取得了什么成就以及為什么如此重要？

作者使用這么多調(diào)查工具的能力直接源于 ST 和 CNR-IMM 之間牢固而深入的合作。因此，除了科學(xué)成就之外，IRPS 2021 最佳論文獎(jiǎng)還獎(jiǎng)勵(lì)了人類的壯舉。多年的互動(dòng)和為行業(yè)帶來重大貢獻(xiàn)的愿望使 ST 和 CNR-IMM 共享的不僅僅是辦公空間。因此，我們希望與本文分享的經(jīng)驗(yàn)是與研究機(jī)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)室等合作的重要性?？拷舯诘拇髮W(xué)。聯(lián)系研究人員，看看有哪些合作是可能的。它可能會(huì)帶來揭開新謎團(tuán)的發(fā)現(xiàn)。

審核編輯：郭婷