Carrier mobility and reliability of 4H-SiC trench MOSFETs

Abstract

The wide band gap semiconductor silicon carbide (SiC) is a very promising emerging material for high power electronics. It offers superior material properties compared to conventional silicon (Si) in terms of the band gap, the breakdown field, thermal conductivity and much more. Therefore, SiC devices can be operated at higher temperatures and higher power densities compared to Si-based metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs), allowing for more efficient and more compact devices. Nevertheless, the performance of 4H-SiC still stays behind its theoretical potential, especially with respect to the channel mobility in MOSFETs. The inversion channel mobility is far lower than the mobility in bulk SiC due to trapping and scattering effects at the interface. The detailed mechanism reducing the mobility is still not understood and therefore needs close investigation. At the same time, several reliability concerns such as the gate oxide reliability and bias temperature instability exist and cannot be excluded from any studies of process improvements. This thesis focuses on the carrier mobility in 4H-SiC trench MOSFETs and the device reliability. Trench devices are of special interest because they allow for smaller pitches and therefore for higher channel densities, reducing the total on-resistance compared to lateral device structures. In order to further improve the device performance, process optimizations such as different post oxidation anneals (POAs) are commonly investigated.The first half of this thesis deals with the characterization of differently processed SiC metal oxide semiconductor (MOS) devices at room temperature. First, mobility improvements are attempted to be achieved by changing the (interface) trap density with different POAs. It will be demonstrated that a full device characterization, including the device performance as well as its reliability, needs to be conducted when benchmarking new process variants. Using the example of ammonia (NH3) annealed trench MOSFETs it will be shown that an improved channel mobility may come with a worsened device performance. It has been found that the NH3 POA can very well improve the device performance but at the same time leads to the formation of new traps in the oxide which degrade the oxide reliability and increase the leakage current. Thus, a detailed study of trap assisted tunneling and oxide breakdown will be presented and the experimental results will be connected with existing breakdown models from literature. The second mobility improvement approach deals with the formation of different interfaces by different oxidation techniques. It will be shown that plasma grown oxides, deposited oxides and thermal oxides result in mostly equivalent devices and similar interface state densities. Finally, to complement the performance studies, bias temperature instability (BTI) in SiC power MOSFETs compared to Si power MOSFETs has been investigated. BTI seems to be caused by an intrinsic trap band in silicon dioxide (SiO2) which is present in both technologies. The different absolute drifts observed can be related to the different band structures of SiC and Si as well as a potentially different trap density. The second half of this thesis deals with the understanding of the degraded channel mobility in 4H-SiC. With the help of cryogenic measurements, mobility degrading trap bands have been identified and their potential origin investigated. With two different measurement techniques interface trap bands were identified which at least partially have an impact on the channel mobility. One trap distribution is related to the p-doping of the device and is most likely somehow related to aluminum (Al).

Siliziumkarbid (SiC) ist ein vielversprechendes neues Material in der Leistungselektronik. Es bietet zahlreiche Vorteile gegenüber der konventionellen Silizium (Si) Technologie wie zum Beispiel eine größere Bandlücke, eine höhere Durchbruchsfestigkeit, eine hervorragende thermische Leitfähigkeit und viele weitere positive Eigenschaften. Diese Eigenschaften ermöglichen es, SiC-basierte Bauteile bei höheren Temperaturen und mit höheren Leistungsdichten zu betreiben als dies beispielsweise für Si möglich wäre. Gleichzeitig kann die Bauteilfläche verkleinert und die Effizienz der einzelnen Bauteile erhöht werden. Trotz der vielen positiven Eigenschaften bleibt das neue Material derzeit allerdings noch insbesondere im Bezug auf die Ladungsträgerbeweglichkeiten im Inversionskanal eines MOSFETs hinter den theoretischen Grenzen bzw. Möglichkeiten zurück. Derzeit ist die Ladungsträgerbeweglichkeit im Inversionskanal eines MOSFETs aufgrund von Streuung und dem Einfangen von Ladungsträgern in Defekten an der Grenzfläche zum Oxid deutlich geringer als die Ladungsträgerbeweglichkeit tief im Material weit von der Grenzfläche entfernt. Der genaue Degradationsmechanismus ist leider noch immer nicht vollständig verstanden und bedarf weiterer Untersuchung. Gleichzeitig werden Einschränkungen in der Zuverlässigkeit der Bauteile beobachtet, die ebenfalls noch nicht vollständig verstanden sind und bei der Untersuchung der Leistungsfähigkeit der Halbleiterbauelemente nicht vernachlässigt werden dürfen. Hierzu zählen beispielsweise die spannungs- bzw. temperaturbedingte Instabilität der Schwellspannung (engl. bias temperature instability (BTI)) oder die Zuverlässigkeit des Oxids. Der Schwerpunkt dieser Doktorarbeit liegt auf der Ladungsträgerbeweglichkeit im Inversionskanal von vergrabenen (engl. trench) MOSFETs, sowie auf deren Zuverlässigkeit. Wie bereits erwähnt lässt sich beides nicht voneinander trennen. Es werden trench Bauteile untersucht, da diese aufgrund der höheren Packungsdichte kleinere Einschaltwiederstände haben und deshalb eine bessere Leistung versprechen. Um die Leistungsfähigkeit der SiC basierten Leistungsbauelemente weiter zu verbessern, werden üblicherweise Prozesse wie zum Beispiel Ausheilschritte nach der Oxidation kontinuierlich im Hinblick auf Verbesserungen analysiert. Die erste Hälfte dieser Doktorarbeit befasst sich mit der Charakterisierung von Halbleiterbauelementen hergestellt mit neuen Prozessvarianten bei Raumtemperatur. Ein Ansatz zur Verbesserung der Kanalbeweglichkeit besteht in der Reduktion der Defektdichte an der Grenzfläche zum Oxid durch Ausheilprozesse nach der Oxidation in verschiedenen Gasumgebungen. Je nach Prozess kann eine Verbesserung der Kanalbeweglichkeit zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit des Bauteils führen. Am Beispiel eines Ausheilprozesses in Ammoniak (NH3) wird eine detaillierte Bauteilcharakterisierung durchgeführt. Es wird gezeigt, dass in diesem Fall eine deutliche Verbesserung der Kanalbeweglichkeit mit einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit, insbesondere BTI und Gateleckströme, einhergeht. In diesem Rahmen wird eine detaillierte Analyse von Defekt-basierten Tunnelströmen (trap assisted tunneling (TAT)) und Oxiddurchbruch durchgeführt und mithilfe bereits existierender theoretischer Modelle erklärt. Ein weiterer Ansatz zur Verbesserung der Kanalbeweglickeiten ist die Verbesserung der Grenzflächenqualität zum Beispiel durch verschiedene Oxidationstechniken. In diesem Fall werden thermische Oxide, abgeschiedene Oxide und in Plasma gewachsene Oxide im Hinblick auf die Defektdichte an der Grenzfläche und die Charakteristiken der entsprechenden Bauteile miteinander verglichen. Es wird gezeigt, dass die verschiedenen Techniken zu vergleichbarem Bauteilverhalten und ähnlichen Defektdichten an der Grenzfläche führen. Zur Komplettierung der Untersuchungen bei Raumtemperatur wird weiterhin ein Vergleich von BTI in Si und SiC basierten Leistungshalbleitern vorgestellt. Dabei wird gezeigt, dass die Verschiebung der Schwellspannung in beiden Technologien höchst wahrscheinlich auf denselben Defekt in Siliziumdioxid (SiO2) zurückzuführen ist. Unterschiede in den absoluten Verschiebungen sind größtenteils auf die verschiedenen Bandstrukturen, aber je nach Prozessierung auch auf unterschiedliche Defektdichten zurückzuführen. Die zweite Hälfte der Dissertation befasst sich mit dem Verständnis der niedrigen Kanalbeweglichkeiten in SiC. Mithilfe von Tieftemperaturmessungen wird versucht, die verursachenden Defekte zu identifizieren und deren Ursache zu bestimmen. Mit zwei verschiedenen Messmethoden wurden verschiedene Grenzflächendefekte bestimmt, die zusammen mit weiterhin unbekannten Defekten negative Auswirkungen auf die Kanalbeweglichkeit haben. In einem Fall konnte der Defekt mit der p-Dotierung des Bauteils und damit mit Aluminium (Al) in Verbindung gebracht werden.