SiC MOS器件界面电荷测试、分离及性能稳定性评估优化方法

摘要

本发明属于SiC半导体器件可靠性测试技术领域，一种SiC MOS器件界面电荷测试、分离及性能稳定性评估优化方法。本发明方法充分考虑了可动离子电荷对器件平带电压/阈值电压的影响，优化了SiC MOS器件的界面电荷测试和分离方法，通过结合中带电压法和三角波电压扫描法，使测试得到的SiC MOS器件中氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷和可动离子电荷更加精确，总结不同界面电荷在不同温度以及应力时间下的变化规律，形成器件性能稳定性和可靠性的评估方法，即不同界面电荷对器件的平带电压/阈值电压漂移的贡献，以及更好地预测器件在高温以及长时间偏压作用下可靠性劣化的原因。

说明书

技术领域

本发明涉及一种SiC MOS器件界面电荷测试、分离及性能稳定性评估优化方法，属于SiC半导体器件可靠性测试技术领域。

背景技术

SiC因具有带隙宽、击穿场强高、热导率高等优势，在高温、高压以及高频电力电子器件领域中备受关注。基于其制备的SiC MOS器件表现出极其优异的特性，被广泛应用于轨道交通、电动汽车、智能电网以及航空航天等领域。但是，SiC MOS器件中平带电压/阈值电压不稳定性是限制器件进一步发展的瓶颈因素之一，因此研究影响平带电压/阈值电压不稳定的基本因素尤为重要。诱导器件的平带电压/阈值电压不稳定的界面电荷有四种类型，分别是氧化物陷阱、界面陷阱、可动离子和固定电荷。氧化物陷阱和界面陷阱通过隧穿机制从半导体衬底捕获载流子来影响阈值电压，可动离子则会吸引半导体中的载流子到沟道中进而影响阈值电压，而固定电荷无法与衬底发生电荷交换，可忽略其对平带电压/阈值电压漂移的影响。目前对于器件中界面电荷的测试方法有很多，但它们受对测试温度有一定的要求，在使用中忽略了可动离子电荷对平带电压/阈值电压漂移的影响，导致测得的其他界面电荷存在误差，而且测得的界面电荷往往没有与器件的电压稳定性建立联系，因此找到一种SiC MOS器件中界面电荷测试、分离及性能稳定性评估优化方法是非常有必要的。

与Si体系中不同，SiC体系界面处存在大量界面缺陷，使得界面电荷的构成更为复杂，因此为实现界面电荷的分离考察它们对平带电压/阈值电压的漂移的贡献，需要通过高温偏置等条件激发或低温冻结缺陷等过程协调完成测试。为此大连理工大学王德君等人在专利[公开号：CN109270423A]中使用低温中带电压法获得了SiC MOS器件中的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷，低温条件下可以排除可动离子电荷对器件的平带电压/阈值电压漂移的影响，从而得到器件中的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷；后来王德君等人在专利[公开号：CN112967944A]中使用中带电压法在不同温度以及偏压下提取分离了SiC MOS器件中的氧化物陷阱电荷量与界面陷阱电荷量；哈尔滨工业大学杨剑群等人在专利[公开号：CN115238561A]中将中带电压法应用于分析器件的电离总量与单粒子烧毁的协同效应研究中。

上述测试方法在使用中带电压法的过程中忽视了可动离子电荷对器件的影响，认为只有氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷贡献器件的电压不稳定性，将中带电压的漂移认为完全是由氧化物陷阱电荷引起的，但实际上，引起中带电压漂移的是块体氧化物中净电荷的变化，也就是氧化物陷阱电荷和可动离子电荷，忽视可动离子电荷将会导致测得的其他界面电荷量存在误差，低温条件虽然可以抑制可动离子电荷的运动，但是对测试温度要求较为严格，而且已有测试方法无法分离器件中的三种界面电荷量，即氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷和可动离子电荷，因此需要改进测试和分离方法以对SiC MOS器件中的界面电荷进行测试，进而在此优化方法基础上对器件的性能进行评估。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种SiC MOS器件界面电荷测试、分离及性能稳定性评估优化方法。本发明方法充分考虑了可动离子电荷对器件的平带电压/阈值电压漂移的影响，针对不同偏压和温度条件下实现准确的界面电荷分离，得到器件中的氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷和可动离子电荷，进而形成器件性能稳定性和可靠性的评估方法，即不同界面电荷对器件的平带电压/阈值电压漂移的贡献，以及更好地预测器件在高温以及长时间偏压作用下可靠性劣化的原因。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种SiC MOS器件界面电荷分离的优化方法，包括以下步骤：

步骤1、提取器件中影响平带电压/阈值电压漂移的可动离子电荷：对器件的三角波电压扫描曲线进行积分计算，得到影响器件平带电压/阈值电压漂移的可动离子电荷面密度ΔN

式中，ΔN

步骤2、分离器件中影响平带电压/阈值电压漂移的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷：由于中带电压的漂移是由块体氧化物的净电荷变化引起的，也就是氧化物陷阱电荷和可动离子电荷，而平带电压/阈值电压的变化由三种界面电荷共同影响，因此根据平带电压差/阈值电压差和中带电压差，计算得到影响平带电压/阈值电压漂移的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷，通过公式(2)、(3)、(4)进行描述，其中，公式(2)是SiC MOSCAP器件中的界面陷阱电荷，公式(3)是SiC MOSFET器件中的界面陷阱电荷，

式中，ΔV

所述分离的优化方法提出的SiC MOS器件界面电荷测试的优化方法，包括以下步骤：

步骤1、SiC MOSCAP/MOSFET的三角波电压扫描测试：选用测试仪中的三角波电压扫描模块，将三角波电压加在被测器件上，首先找到适合样品测试的准静态平衡条件，包括扫描电压范围以及扫描速率，扫描电压范围为-20V至20V，扫描速率小于100mv/s，在80K-625K下对SiC MOS器件进行三角波电压扫描测试，低温下，可动离子电荷无法移动，会出现扫描不到曲线的情况，对于SiC MOSCAP器件，在设定的温度下进行测试，对于SiC MOSFET器件，对器件施加-30V到+30V的偏压，在所需温度下进行测试，得到器件的三角波电压扫描曲线；

步骤2、SiC MOSCAP/MOSFET的平带电压/阈值电压和中带电压测试：测试SiCMOSCAP/MOSFET的C-V/I-V曲线，对SiC MOSCAP施加+1～10MV/cm的电场，测试温度与三角波电压扫描时保持一致，SiC MOSFET器件的测试温度以及施加的偏压大小与三角波电压扫描时保持一致，得到施加偏压前后的C-V/I-V曲线后，进而得到器件在偏压下的平带电压差/阈值电压差和中带电压差；

采用所述分离、测试优化方法形成的SiC MOS器件性能稳定性的评估优化方法，包括以下内容：

在得到器件的平带电压/阈值电压漂移量以及影响器件平带电压/阈值电压漂移的氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷和可动离子电荷后，形成器件性能稳定性和可靠性的评估方法，即根据得到的平带电压/阈值电压漂移量评估器件在不同温度以及长时间偏压作用下电压稳定性的变化，总结氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷和可动离子电荷在不同温度以及应力时间下的变化规律，分析它们对器件性能稳定性的影响，同时形成对器件性能评估的优化方法，即推测器件在不同温度以及长时间偏压作用下可靠性劣化的原因。

本发明有益效果是：一种SiC MOS器件界面电荷测试、分离及性能稳定性评估优化方法，与已有的测试方法相比，本发明方法充分考虑了可动离子电荷对器件平带电压/阈值电压的影响，优化了SiC MOS器件的界面电荷测试和分离方法，通过结合中带电压法和三角波电压扫描法，使测试得到的SiC MOS器件中氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷和可动离子电荷更加精确，总结不同界面电荷在不同温度以及应力时间下的变化规律，形成器件性能稳定性和可靠性的评估方法，即不同界面电荷对器件的平带电压/阈值电压漂移的贡献，以及更好地预测器件在高温以及长时间偏压作用下可靠性劣化的原因。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

图2是实施例1在室温下测得的可动离子电荷随对数应力时间的变化示意图。

图3是实施例1在室温下测得的氧化物陷阱电荷随对数应力时间的变化示意图。

图4是实施例1室温下测得的界面陷阱电荷随对数应力时间的变化示意图。

图5是实施例1在室温下得到的阈值电压的漂移量随对数应力时间的变化示意图。

图6是实施例1室温下得到的N沟道平面型SiC MOSFET器件的阈值电压漂移量以及三种界面电荷的拟合曲线示意图。

图7是实施例2温度为323K下得到的N沟道沟槽型SiC MOSFET器件的阈值电压漂移量以及三种界面电荷的拟合曲线示意图。

图8是实施例3温度为373K下得到的N沟道平面型SiC MOSFET器件的阈值电压漂移量以及三种界面电荷的拟合曲线示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，SiC MOS器件界面电荷分离的优化方法，包括以下步骤：

步骤1、提取器件中影响阈值电压漂移的可动离子电荷：对器件的三角波电压扫描曲线进行积分计算，可以得到影响器件阈值电压漂移的可动离子电荷面密度ΔN

式中，ΔN

步骤2、分离器件中影响阈值电压漂移的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷：通过测试得到阈值电压差和中带电压差后，进而计算得到影响阈值电压漂移的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷，通过公式(2)、(3)描述，器件中影响阈值电压漂移的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷随对数应力时间的变化如图3、4所示，

式中，ΔV

根据所述的优化分离方法提出的SiC MOS器件界面电荷测试的优化方法，包括以下步骤：

步骤1、SiC MOSFET的三角波电压扫描测试：选用测试仪中的三角波电压扫描模块，将三角波电压加在N沟道平面型SiC MOSFET上，扫描电压范围设为(-10V，10V)，扫描速率为11.6mV/s，对器件栅极施加+15V的偏压，施加偏压的时间设为1s、10s、100s、1000s、10000s，在室温下对器件进行测试，得到施加偏压后的三角波电压扫描曲线；

步骤2、SiC MOSFET的阈值电压和中带电压测试：测试N沟道平面型SiC MOSFET的I-V曲线，施加的偏压大小和时间以及测试温度与三角波电压扫描时保持一致，得到施加偏压前后的I-V曲线后，计算得到器件的阈值电压差和中带电压差，阈值电压差ΔV

根据优化的测试以及分离方法形成的SiC MOS器件性能稳定性的评估优化方法，包括以下内容：将得到的阈值电压漂移量ΔV

表1

从图6中可以看出，在室温下，器件的阈值电压漂移量整体不高，但是在应力时间为10

实施例2

如图1所示，一种SiC MOS器件界面电荷分离的优化方法，包括以下步骤：

步骤1、提取器件中影响阈值电压漂移的可动离子电荷：对器件的三角波电压扫描曲线进行积分计算，可以得到影响器件阈值电压漂移的可动离子电荷面密度ΔN

式中，ΔN

步骤2、分离器件中影响阈值电压漂移的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷：通过测试得到阈值电压差和中带电压差后，进而计算得到影响阈值电压漂移的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷，通过公式(2)、(3)描述，

式中，ΔV

根据所述的优化分离方法提出的SiC MOS器件界面电荷测试的优化方法，包括以下步骤：

步骤1、SiC MOSFET的三角波电压扫描测试：选用测试仪中的三角波电压扫描模块，将三角波电压加在N沟道沟槽型SiC MOSFET上，扫描电压范围设为(-10V，10V)，扫描速率为11.6mV/s，对器件栅极施加+15V的偏压，施加偏压的时间设为1s、10s、100s、1000s、10000s，在323K下对器件进行测试，得到施加偏压后的三角波电压扫描曲线；

步骤2、SiC MOSFET的阈值电压和中带电压测试：测试N沟道沟槽型SiC MOSFET的I-V曲线，施加的偏压大小和时间以及测试温度与三角波电压扫描时保持一致，得到施加偏压前后的I-V曲线后，计算得到器件的阈值电压差和中带电压差；

根据优化的测试以及分离方法形成的SiC MOS器件性能稳定性的评估优化方法，包括以下内容：

将得到的阈值电压漂移量ΔV

表2

从图7中可以发现，323K下在10

实施例3

如图1所示，一种SiC MOS器件界面电荷分离的优化方法，包括以下步骤：

步骤1、提取器件中影响阈值电压漂移的可动离子电荷：对器件的三角波电压扫描曲线进行积分计算，可以得到影响器件阈值电压漂移的可动离子电荷面密度ΔN

式中，ΔN

步骤2、分离器件中影响阈值电压漂移的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷：通过测试得到阈值电压差和中带电压差后，进而计算得到影响阈值电压漂移的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷，通过公式(2)、(3)描述，

式中，ΔV

根据所述的优化分离方法提出的SiC MOS器件界面电荷测试的优化方法，包括以下步骤：

步骤1、SiC MOSFET的三角波电压扫描测试：选用测试仪中的三角波电压扫描模块，将三角波电压加在N沟道平面型SiC MOSFET上，扫描电压范围设为(-10V，10V)，扫描速率为11.6mV/s，对器件栅极施加+15V的偏压，施加偏压的时间设为1s、10s、100s、1000s、10000s，在室温下对器件进行测试，得到施加偏压后的三角波电压扫描曲线；

步骤2、SiC MOSFET的阈值电压和中带电压测试：测试N沟道平面型SiC MOSFET的I-V曲线，施加的偏压大小和时间以及测试温度与三角波电压扫描时保持一致，得到施加偏压前后的I-V曲线后，计算得到器件的阈值电压差和中带电压差；

根据优化的测试以及分离方法形成的SiC MOS器件性能稳定性的评估优化方法，包括以下内容：

将得到的阈值电压漂移量ΔV

表3

通过图8发现，与室温下相比，在373下长时间偏压作用下对器件的阈值电压漂移影响最大的界面电荷不再是氧化物陷阱电荷，而是界面陷阱电荷，因此在高温下，在提高界面稳定性和器件可靠性的过程中需重点关注界面陷阱电荷，而从表3中发现，ΔN

实施例4

如图1所示，一种SiC MOS器件界面电荷分离的优化方法，包括以下步骤：

步骤1、提取器件中影响平带电压漂移的可动离子电荷：对三角波电压扫描曲线的电流峰进行积分计算，可以得到影响器件平带电压漂移的可动离子电荷面密度ΔN

式中，ΔN

步骤2、分离器件中影响平带电压漂移的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷：通过测试得到平带电压差和中带电压差后，进而计算得到影响平带电压漂移的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷，通过公式(2)、(3)描述，

/>

式中，ΔV

根据所述的优化分离方法提出的SiC MOS器件界面电荷测试的优化方法，包括以下步骤：

步骤1、SiC MOSCAP的三角波电压扫描测试：选用测试仪中的三角波电压扫描模块，将三角波电压加在N型SiC MOSCAP上，扫描范围为(-6V，6V)，在300K和423K下对器件进行测试，得到三角波电压扫描曲线；

步骤2、SiC MOSCAP的平带电压和中带电压测试：测试N型SiC MOSCAP的C-V曲线，施加±2.5MV/cm的电场，测试温度为100K、200K、300K、423K，得到施加偏压前后的C-V曲线后，计算得到器件的平带电压差和中带电压差；

一种根据优化的测试以及分离方案形成的SiC MOS器件性能稳定性的评估优化方法，包括以下内容：

通过上述方法测试得到的平带电压漂移量ΔV

表4

通过表4可以看出，在100K下，器件中的界面陷阱电荷和氧化物陷阱电荷较多，施加偏压，导致较大的平带电压漂移量，而可动离子电荷在低温下被“冻住”而无法贡献平带电压的漂移，对器件的平带电压漂移贡献最大的为界面陷阱电荷，随着温度的升高，氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷的激活量减小，而在高温下，氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷增多，但是同时激活了更多的可动离子电荷，其与氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷对平带电压漂移的作用恰好相反，且可动离子电荷比氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷之和高，因此在高温下影响SiC MOSCAP的可靠性劣化的原因主要与可动离子电荷有关。

实施例5

如图1所示，一种SiC MOS器件界面电荷分离的优化方法，包括以下步骤：

步骤1、提取器件中影响平带电压漂移的可动离子电荷：对三角波电压扫描曲线的电流峰进行积分计算，可以得到影响器件平带电压漂移的可动离子电荷面密度ΔN

式中，ΔN

步骤2、分离器件中影响平带电压漂移的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷：通过测试得到平带电压差和中带电压差后，进而计算得到影响平带电压漂移的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷，通过公式(2)、(3)描述，

式中，ΔV

根据所述的优化分离方法提出的SiC MOS器件界面电荷测试的优化方法，包括以下步骤：

步骤1、SiC MOSCAP的三角波电压扫描测试：选用测试仪中的三角波电压扫描模块，将三角波电压加在P型SiC MOSCAP上，扫描范围为(-6V，6V)，在300K和423K下对器件进行测试，得到三角波电压扫描曲线；

步骤2、SiC MOSCAP的平带电压和中带电压测试：测试P型SiC MOSCAP的C-V曲线，施加±2.5MV/cm的电场，测试温度为100K、200K、300K、423K，得到施加偏压前后的C-V曲线后，计算得到器件的平带电压差和中带电压差；

根据优化的测试以及分离方案形成的SiC MOS器件性能稳定性的评估优化方法，包括以下内容：

通过上述方法测试得到的平带电压漂移量ΔV

表5

通过表5可以看出，300K以下时，对器件的平带电压漂移影响最大的界面电荷为氧化物陷阱电荷，低温下，提高器件的可靠性和稳定性应重点关注SiC MOSCAP器件的氧化物陷阱电荷，而随着温度的升高，到423K时，对器件的平带电压漂移影响最大的为可动离子电荷，可见在高温下，影响SiC MOSCAP器件的可靠性与稳定性的原因主要是界面处的可动离子电荷过多。

本发明优点在于：一种SiC MOS器件界面电荷测试、分离及性能稳定性评估优化方法与已有的测试方法相比，本发明充分考虑了可动离子电荷对器件的平带电压/阈值电压漂移的影响，准确得到影响阈值电压漂移的氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷和可动离子电荷，形成了器件的性能稳定性和可靠性评估的优化方法，即分析不同界面电荷对器件平带电压/阈值电压漂移的贡献进而分析器件的性能，更好地预判器件在高温以及长时间偏压作用下可靠性劣化的原因。