Надежность SiС-MOSFET: мифы и реальность

Введение

Ряд усовершенствований в области технологии материалов, обработки и проектирования позволил компании Cree преодолеть стоявшие ранее технические ограничения и выпустить в свет первый серийный МОП-транзистор на основе карбида кремния (SiC) под маркой Z-FET. В течение последних двух десятилетий надежность данных МОП-транзисторов являлась предметом тщательных исследований, обусловленных перспективами применения этих компонентов в высоковольтной полупроводниковой силовой электронике. Самые высокие требования, исходившие от инженеров-схемотехников, касались надежности стока при высоких напряжениях и оксидного слоя затвора, которые оценивались по стандартным методам испытаний силовых полупроводниковых устройств JEDEC — высокотемпературным обратным смещением (High Temperature Reverse Bias, HTRB) и высокотемпературным смещением затвора (High Temperature Gate Bias, HTGB) соответственно. Силовые полупроводниковые устройства должны не только выдерживать данные испытания без отказа, но и сохранять при этом стабильные электрические параметры. В прошлом обеспечить успешное прохождение SiC-MOSFET этих испытаний было весьма затруднительно, в результате чего в сообществе сформировалось негативное мнение о реальных перспективах данного типа устройств в этом сегменте рынка, где надежность является одним из главных параметров. В настоящей статье приведены данные о надежности, собранные при испытаниях серийных SiC-MOSFET, и предприняты попытки развеять сложившиеся мифы и показать, что данный тип транзисторов отличается даже большей надежностью, чем наиболее распространенные в отрасли кремниевые.

Надежность стока при высоких напряжениях

Одно из главных привлекательных свойств, которые связывают с силовыми SiC-компонентами, — способность выдерживать высокое напряжение при существенно меньшей толщине запирающего слоя и большей напряженности электрического поля. Следовательно, чрезвычайно важно убедиться в отказоустойчивости и стабильности этих приборов в условиях высокотемпературного обратного смещения. Основную трудность здесь представляет снижение количества дефектов материала и производственных дефектов, а также проектирование устройства с учетом всех особенностей.

Компания Cree является мировым лидером в производстве высококачественных SiC-кристаллов с минимальной концентрацией дефектов. Как показывает рис. 1, поверхностная концентрация дефектов снижена до значений менее 1 см^-2, а временные затраты на освоение технологии при переходе на пластины большего диаметра сокращены. Более того, удалось оптимизировать процесс таким образом, чтобы практически исключить дефекты эпитаксиального слоя при высокотемпературном выращивании. Это позволило изготавливать высококачественные эпитаксиальные пластины для производства компонентов [1]. Инженеры-технологи Cree освоили искусство крупносерийного производства SiC-компонентов и передовые методы очистки, необходимость в которых обусловлена уникальными свойствами этого материала. Наконец, силовые компоненты Cree спроектированы с консервативным подходом, чтобы обеспечить максимальную эффективность межзонных контактов с одновременной минимизацией электрических полей в активных зонах. Сочетание этих трех оптимизаций позволило Cree создать технологию SiC-диодов Шоттки, которая на сегодня имеет эксплуатационную наработку 350 млрд устройство-часов при показателе отказов в единицу времени (FIT) всего 0,31 на млрд ч, что более чем на порядок лучше, чем у конкурирующих кремниевых p-i-n-диодов. В транзисторе Z-FET воплощены все перечисленные выше усовершенствования в части эпитаксиального выращивания кристаллов, проектирования и изготовления. Поэтому для него прогнозируется повышенная эксплуатационная надежность стока при высоком напряжении, на что указывает успешное прохождение испытаний обратным смещением при температуре p-n-перехода +150 °C (HTRB, 3 партии по 77 устройств Z-FET сопротивлением 80 мОм на напряжение 1200 В).

Рис. 1. Изменение поверхностной концентрации дефектных зон в SiС-структурах (подложках, пластинах)

Надежность оксидного слоя затвора

Наличие электрода затвора с высоким импедансом обуславливает привлекательность SiC-MOSFET для применения в качестве ключа ввиду простоты его встраивания в существующие преобразовательные системы, в которых сегодня используются кремниевые МОП-транзисторы. Компромисс, на который приходится идти при такой структуре, — хрупкость диэлектрического слоя затвора, который подвержен внезапному полному отказу при электростатических разрядах и одиночных пробоях под действием радиации (Single Event Gate Rupture, SEGR). Как и в кремниевых МОП-устройствах, в SiC-MOSFET применяется диэлектрик SiO₂ с добавлением азота для повышения качества граничного слоя и снижения сопротивления канала [2]. При этом транзистор Z-FET тщательно спроектирован таким образом, чтобы никакой этап технологического процесса после оксидирования не сказался негативно на качестве и целостности SiC-MOSFET-системы. Перед передачей в серийное производство транзистор Z-FET был подвергнут обширным испытаниям по рекомендованным JEDEC методам для определения диэлектрической прочности, срока службы оксидного слоя затвора и распределения отказов оксидного слоя затвора.

Первым этапом оценки качества оксидного слоя затвора является измерение диэлектрической прочности. В ходе этого испытания измеряется напряженность электрического поля, при которой происходит пробой слоя SiO₂ (теоретическое значение — около 10 МВ/см). В правильно сконструированных МОП-устройствах этот параметр не должен зависеть от материалов. В данном испытании напряжение на электроде затвора SiC-MOSFET (1200 В, 80 мОм) изменялось от 0 В до напряжения необратимого пробоя оксидного слоя затвора, а электроды истока и стока были соединены с землей. Результаты этого испытания для трех случайно выбранных устройств приведены на рис. 2. Ток утечки затвора возрастает с фонового уровня при напряженности поля 6,5 МВ/см, далее наблюдается туннельный режим Фаулера-Нордхейма, а затем у всех трех устройств наблюдается полный отказ при теоретически ожидаемой напряженности около 10 МВ/см.

Рис. 2. Зависимость изменения тока утечки затвора от напряженности поля

В соответствии с документом JESD92 организации JEDEC рекомендованным методом определения срока службы оксидного слоя затвора для МОП-устройств является измерение времени наступления диэлектрического пробоя при постоянном градиенте напряжения (CVS-TDDB) [3]. Для этого изготавливаются испытательные полевые МОП-транзисторы площадью 200×200 мкм² с той же ячеечной структурой, что и Z-FET. На электрод затвора восемнадцати испытательных транзисторов при температуре +175 °C одновременно подается высокое напряжение, близкое к напряжению пробоя. Как и при измерении диэлектрической прочности, сток и исток заземлены, а ток утечки затвора отслеживается регистратором данных. Все 18 устройств доводятся до пробоя, после чего анализируется статистика отказов для определения параметра срока службы t63 (срок, за который отказывает 63% устройств выборки), связанного с приложенным напряжением смещения затвора. Далее эта процедура повторяется для определения параметра срока службы t63 не менее чем для трех значений напряжений смещения затвора, и результаты откладываются на полулогарифмическом графике (рис. 3). Параметр срока службы t63 экспоненциально зависит от напряженности электрического поля в оксидном слое, что легко аппроксимировать в точках с высоким значением напряженности и затем экстраполировать обратно в рабочую область. SiC- MOSFET демонстрируют не худшую, если не лучшую статистику отказов, чем кремниевые. Важнее всего, что статистика отказов при температуре +175 °C предсказывает срок службы около 10 млрд лет при максимальной напряженности поля в оксидном слое. Это указывает на то, что транзисторы Z-FET компании Cree имеют достаточную надежность оксидного слоя затвора.

Рис. 3. Время наступления диэлектрического пробоя затвора для кремниевых и SiC-MOSFET

Одним из главных вопросов этого прогноза является точность экстраполяции, которая охватывает диапазон свыше 5 МВ/см по напряженности поля в оксидном слое и свыше 12 декад по сроку службы. К сожалению, измерение срока службы при напряженности ниже 8 МВ/см занимает неприемлемо долгое время при температуре +175 °C. Единственный способ измерить срок службы при умеренных значениях напряженности — повысить температуру. С этой целью измерение времени наступления диэлектрического пробоя при постоянном градиенте напряжения повторяется при температурах до +300 °C, что является максимально допустимой температурой для данного экспериментального оборудования Cree. При +300 °C наблюдается необычное явление. В статистике начинает преобладать вторичный механизм отказа при напряженности поля менее 7,5 МВ/см (рис. 4). Этот вторичный механизм сокращает срок службы при напряжении затвора 20 В на шесть порядков величины, что может подставить под сомнение допустимость экстраполяции при +175 °C. Лучший подход к решению проблемы вторичного механизма отказа — проверить термическое ускорение, повторив измерение времени наступления диэлектрического пробоя при постоянном градиенте напряжения, но на этот раз при температуре +275 °C. В этих условиях вновь наблюдался вторичный механизм отказа, но он оказался существенно менее выраженным, хотя снижение температуры составило всего +25 °C. Это указывает на сильную температурную зависимость вторичного механизма отказа, отличную от слабой температурной зависимости первичного механизма, наблюдаемого при высоких значениях напряженности поля. Моделирование этого поведения по типу уравнения Аррениуса показывает, что вторичный механизм отказа преобладает при температурах выше +240 °C (рис. 5). Иными словами, вторичный механизм отказа не должен влиять на качество экстраполяции данных, полученных при температуре +175 °C, в область низких значений напряженности.

Рис. 4. Время наступления диэлектрического пробоя затвора при постоянном градиенте напряжения и температуре до +300 °C

Рис. 5. График Аррениуса для срока службы оксидного слоя затвора

Измерение времени наступления диэлектрического пробоя при постоянном градиенте напряжения позволяет оценить собственный срок службы SiC-MOSFET. Столь же важно выяснить сроки службы реальных серийно выпускаемых транзисторов Z-FET. В ходе данного эксперимента целые пластины серийных транзисторов Z-FET (1200 В, 80 мОм) были доведены до полного отказа при температуре +150 °C согласно методу измерения времени наступления диэлектрического пробоя при линейно меняющемся градиенте напряжения [4]. Статистика отказов дает коэффициент ускорения 5,2 см/МВ, что указывает на среднее время наработки на отказ около 400 млн лет при напряжении затвора 20 В (рис. 6). На основе этой статистики была разработана подходящая процедура отбора, предотвращающая попадание в партии готовых изделий небольшого числа устройств, подверженных отказу по вторичному механизму.

Рис. 6. График отбора дефектных SiC-MOSFET для транзисторов Z-FET (1200 В, 80 мОм)

Теоретически предсказанные диэлектрическая прочность, длительный собственный срок службы по результатам измерений времени наступления диэлектрического пробоя и эффективные процедуры отбора в совокупности гарантируют, что транзистор Z-FET не будет подвержен эксплуатационным отказам из-за пробоя оксидного слоя затвора. Более того, оксидный слой затвора транзисторов Z-FET изначально более устойчив, чем у кремниевых, о чем свидетельствует более длительное время наступления пробоя при постоянном градиенте напряжения, повышенная устойчивость к одиночным пробоям под действием нейтронного излучения [5] и второй класс защиты от электростатического разряда по модели человеческого тела.

Стабильность устройства

В соответствии со стандартами квалификационных испытаний полупроводниковых устройств JEDEC/AEC, устройства с изолированным затвором, такие как полевые МОП-транзисторы и БТИЗ, должны выдерживать испытание высокотемпературным смещением затвора (HTGB) с менее чем 20%-ным изменением свойств в открытом состоянии и 500%-ным изменением тока утечки [6]. В рамках метода HTGB большая выборка (25 устройств из трех производственных партий) транзисторов Z-FET (1200 В, 80 мОм) нагревается до температуры +150 °C при постоянном напряжении смещения затвора 20 В и выдерживается в течение 1000 ч с периодическими перерывами для измерения электрических характеристик при комнатной температуре. Транзисторы Z-FET выдерживают этот тест без пробоев затвора, что согласуется с результатами измерения времени наступления диэлектрического пробоя. Однако при этом наблюдается заметное изменение электрических свойств устройства под действием повышенного порогового напряжения (рис. 7). Чтобы правильно оценить влияние этого явления на системы конечных пользователей, необходимо учитывать как свойства самого устройства, так и специфику областей применения.

Рис. 7. Изменение порогового напряжения затвора (20 В и +150 °C в течение 1000 ч) для транзисторов Z-FET (1200 В, 80 мОм)

В реальных применениях полевой МОП-транзистор представляет собой полупроводниковый ключ с двумя состояниями — открытым и закрытым. При положительном смещении затвора во время испытаний высокотемпературным смещением (модель открытого состояния транзистора) электроны притягиваются к граничному слою SiO₂/SiC, и малая их часть инжектируется в оксидный слой. При прохождении сквозь оксидный слой часть этих электронов захватывается оксидными ловушками, создавая отрицательно заряженные центры. Для преодоления этого заряда к затвору приходится прикладывать повышенное напряжение. В итоге для того, чтобы открыть транзистор, требуется более высокое напряжение на затворе. Преимущество повышенного порогового напряжения — дальнейшее снижение тока утечки при запирании высоким напряжением. Недостаток состоит в том, что растет сопротивление в открытом состоянии (R_DS(on)). К счастью, в закрытом состоянии энергетические зоны оксидного слоя ориентированы в противоположном направлении, что способствует быстрому высвобождению электронов из ловушек (рис. 8). Запирающий импульс длительностью в единицы миллисекунд высвободит большую часть заряда, накопленного в транзисторе после 500 ч высокотемпературного смещения затвора. Пороговое напряжение быстро асимптотически снижается до значения, лишь на 0,25 В превышающего исходное, что согласуется со значениями собственного сдвига. Близкий к 100% рабочий цикл (500 ч в открытом состоянии и несколько миллисекунд в закрытом) говорит о том, что данное явление не должно вызывать по нему ограничений. В связи с другой потенциальной проблемой, касающейся ограничений по частоте, мы разработали новое нагрузочное испытание затвора в дополнение к испытанию высокотемпературным смещением.

Рис. 8. Восстановление порогового напряжения при воздействии запирающих импульсов

Наилучшее представление о стабильности устройства можно получить, подвергнув его нагрузке, близкой к реальной. В этой связи было разработано новое нагрузочное испытание затвора, цель которого — надлежащим образом оценить стабильность устройства с использованием напряжений смещения, которые более характерны для реальных условий эксплуатации. Это испытание названо высокотемпературным переключением затвора (High Temperature Gate Switching, HTGS) и аналогично высокотемпературному смещению затвора с тем отличием, что напряжение затвора переключается между значениями 20 и 0 В с частотой 20 кГц и коэффициентом заполнения 50% для моделирования более реальных условий эксплуатации. В ходе испытания высокотемпературным переключением затвора (своего рода термотренировка) транзистор Z-FET продемонстрировал великолепную стабильность порогового напряжения затвора (повышение всего на 0,25 В) и 10%-ный рост напряжения «сток–исток» в открытом состоянии, что приемлемо с большим запасом по условиям JEDEC/AEC (рис. 9). Что важнее, результаты этого испытания демонстрируют отсутствие проблем, связанных с ограничением частотного диапазона вследствие захвата и высвобождения электронов, при типичных рабочих частотах порядка десятков килогерц, которые имеют место в рассматриваемых областях применения.

Рис. 9. Результаты испытания SiC-MOSFET высокотемпературным переключением

Выводы

На восприятие рынком технологии SiC-MOSFET продолжают отрицательно влиять устаревшие данные об их ненадежности. Транзистор Z-FET компании Cree был подвергнут всесторонним испытаниям в диапазоне условий, простирающемся далеко за рамки минимальных стандартов JEDEC, неизменно демонстрируя высокую надежность электродов затвора и стока. Эти результаты в совокупности с результатами независимых испытаний в государственных лабораториях США (NIST и Sandia National Labs) развеивают старые мифы о ненадежности SiC-MOSFET, и теперь все больше инженеров-системотехников выбирают для своих конструкций транзисторы Z-FET компании Cree, отличающиеся высокими техническими характеристиками и надежностью.

Литература

1. J. J. Sumakeris et al. Submitted to Trans Tech Publishing.
2. H.-F. Li, S. Dimitrijev, H. B. Harrison H. B. IEEE Electron Device Letters. 19 (1998).
3. http://www.jedec.org/sites/default/files/docs/JESD92.pdf
4. J. W. McPherson. Reliability Physics and Engineering. New York: Springer. 2010.
5. A. Griffoni, J. van Duivenbode, D. Linten, E. Simoen, R. Rech, L Dilillo, F. Wrobel, P. Verbist, G. Groeseneken. IEEE Trans on Nuclear Science. 59 (2012).
6. http://www.jedec.org