贏得2021 年IRPS(IEEE 國際可靠性物理研討會)最佳論文獎需要什么?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,其貢獻得到了研討會組織者的進一步認(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 與意大利國家研究委員會微電子與微系統(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。兩個團隊在意法半導(dǎo)體位于意大利卡塔尼亞的場地共享一個空間,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?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:短期和長期。其中,最嚴(yán)重的是
類型,因為它從一開始就不起作用。這篇論文是獨一無二的,因為它首次揭示了晶體缺陷和故障率之間的直接關(guān)系。
4H-SiC。正如我們在關(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 的論文獲得了該獎項,因為它以一種新的方式探索了 SiC 芯片。
這樣的發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了什么?
自本文發(fā)表以來,ST 學(xué)會了優(yōu)化我們的 4H-SiC 器件的外延反應(yīng)室和制造工藝。因此,該研究展示了對理解 4H-SiC 器件背后物理原理的熱情如何影響實際應(yīng)用。事實上,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 滲透到更多的市場和應(yīng)用,從而有助于提高能源效率。隨著社會應(yīng)對能源危機和環(huán)境挑戰(zhàn),積極影響產(chǎn)品能源消耗的能力仍然是一個關(guān)鍵目標(biāo)。
對剩余的 4H-SiC 模具進行壓力測試
揭示了哪些高溫柵極偏置應(yīng)力測試?
一旦研究人員篩選出
死后,他們將功能正常的產(chǎn)品放入一個包裝中并對其進行壓力測試。第一個挑戰(zhàn)是高溫柵極偏置應(yīng)力,它提高了柵極氧化物處的電場。科學(xué)家們?nèi)绱伺Φ赝苿舆@些設(shè)備的原因是為了監(jiān)測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 時已經(jīng)表現(xiàn)出異常行為。為了了解為什么會發(fā)生這種情況,他們在原子力顯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)是一項突破,因為它有助于對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?
在第一次壓力測試之后,這些芯片進行了另一次試驗:高溫反向偏置。該基準(zhǔn)持續(xù)了三個月,用于模擬幾十年的正常使用。簡而言之,它幫助作者確定所有設(shè)備在其整個生命周期內(nèi)是否都能正常運行。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,具體取決于壓力測試的持續(xù)時間。在這一點上,他們了解到從襯底到外延層存在螺紋位錯。因此,他們使用掃描電容顯微鏡來顯示對 MOSFET 器件的物理影響并解釋其錯誤的電氣行為。
只是因為科學(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。簡而言之,穿透位錯會影響 4H-SiC 器件的價帶,從而有效地縮小其繃帶。正如我們在博客上多次看到的那樣,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對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。在這種情況下,價帶增加了大約 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 最佳論文獎還獎勵了人類的壯舉。多年的互動和為行業(yè)帶來重大貢獻的愿望使 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)驗是與研究機構(gòu)、實驗室等合作的重要性??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。它可能會帶來揭開新謎團的發(fā)現(xiàn)。
審核編輯:郭婷
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