Degradation of electrical parameters of power semiconductor devices - process influences and modeling

Abstract

Halbleiterschalter für Leistungsanwendungen haben eine breite Anwendungpalette in Personenkraftwagen, im Schienenverkehr, im Stromnetz,in der industriellen Automatisierung und in vielen anderen Bereichen. Sie ermöglichen das elektrische Verbinden und Trennen von Strom- und Spannungsquellen von ihrer Last trotz großer Versorgungsströme.Der eigentliche Schalter ist heutzutage ein Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor (englisch: MOSFET).Diese Strukturenleitenden Strom direkt an der Grenzfläche zwischen dem Oxid und dem Halbleiter.Da die Anwendung dieser Bauteile von Natur aus eine fortwährenden Funktionalität voraussetzt, die aber klarerweise nur für einen begrenzten Zeitraum sichergestellt werden kann,sind Untersuchungen bezüglich der Zuverlässigkeit solcher Bauteile unerlässlich. Dabei ist Zuverlässigkeit die Wahrscheinlichkeit für den Betrieb einesProdukts ohne Ausfall über einen definierten Zeitraum unte rdefinierten Bedingungen. Halbleiterhersteller versuchen die Wahrscheinlichkeit f ̈ur das ordnungsgemäße Funktionieren des Produkts auf das größt mögliche Maß zu erhöhen. Tatsächlich kann der zuverlässige Betrieb des Produkts nur für eine begrenzte Ziellebensdauer garantiert werden.In der Automobilindustrie beträgtdiese geplante Lebensdauer in etwa zehn Jahre.Grenzen fü die Zuverlässigkeit eines MOSFET können aus Defektstellen der Materialien die für den Aufbau des Bauteils verwendet werden resultieren, aber auch erst durch Degradationmechanismen während des Betriebs entstehen.Während Fehlstellen oder Unreinheiten, die mit dem Verhalten des Bauteils wechselwirken, noch am Ende der Prozessierung durch Frühfehler überprüfungen erkannt werden können, sind Degradationsmechanismen,welche erst nach Jahren der Verwendung des Bauteils auftreten können, sehr schwierig zu charakterisieren und zu untersuchen.Der Schlüsel zu zuverlässigen Bauteilen liegt nun darin,jene Einflüsse genauer zu verstehen,welche die Degradation beschleunigen und dieses Wissen zu nutzen um das Verhalten in Qualifikationstest auf die Lebensdauer des Bauteils zu ̈ubertragen. Für MOSFETs kann der Transfer der Ergebnisse einer Degradationsmessung zu Einsatzbedingungen entweder ̈uber dieTemperatur,die Bauteilgröße, die Spannung oder aber auch ̈über die statistische Häufigkeit erfolgen. Die einzige Möglichkeit für Halbleiterhersteller die Zuverlässigkeit der Bauteile weiter zu verbessern ist es, spezielle Prozesseinstellungen der Produktion zu verändern.Die Einfl üsse dieser Adjustierungen werden dann mit Qualifikationstests bewertet, welche dasLangzeitdegradationsverhalten des Bauteils bestmöglich abbilden.Ein Leistungs-MOSFET betrieben im festgesetzten Temperaturbereich der Automobilindustrie zwischen−40◦Cund 150◦C wird normalerweise nur mit Oxidfelder viel kleiner als die Durchbruchspannung des Oxids belastet. Trotzdem können diese Betriebsbedingungen bereits eine Instabilität der Einsatzspannung des MOSFET verursachen, die den maximalen Senkenstrom und die Grenzfrequenz des Transistors reduziert.Im Extremfall kann die Einsatzspannung auch soweit vergrößert werden, dass der Transistor ̈uberhaupt nicht mehr einschaltet. Mann nennt diesen Effekt uberlicherweise Spannungs-Temperatur Instabilit ̈at (englisch: biastemperature instability, BTI).Verglichen zu anderen Degradationsmechanismen welche MOSFETs beeinflussen, tritt BTI naheam Gleichgewichtszustand des Bauteils auf (Raumtemperatur, kleine Spannung), während andere Mechanismen wie zum Beispiel der Oxiddurchbruch bei hohen Steuerelektrodenspannungen beziehungsweise Degradation durch hochenergetische Ladungsträger bei hohen Quellenspannunge nauftreten. Als logische Konsequenz wird in dieser Arbeit BTI untersucht,da man zuerst jenen Mechanismus verstanden haben muss der bei Betriebsbedingungen auftritt, bevor man die Degradation unter raueren Bedingungen untersucht.Eines der Hauptresultate der vorliegenden Arbeit ist die Untermauerung der Hypothese, dass BTI die elektrische Aktivierung von zuerst elektrisch inaktiven Präkursor-Defekten während der Belastung ist. Der Bereichder mittleren Aktivierungsenergien dieser Präkursor ist bekannt und wird mit 1.5eVbis 2.9e Van gegeben.Mit diesen eher großen Aktivierungsenergien würde es hunderte Jahre dauern bis die Präkursor unter typischen BTI Bedingungen aktiviert werden. Die vorliegende Arbeit unterstützt die Annahme, dass die Aktivierungsenergien f ̈ur die Präkursor-Defekte einer sehr breiten Normalverteilung gehorchen und dass nur der niedrigenergetische Ausläufer der Verteilung währendder Betriebsdauer des Bauteils aktiviert wird.

Power semiconductor switches are utilized in cars, trains, the power supplysystem,industrial automation and many other fields. They allow to electrically connect and disconnect loads from sources despite large supply currents. The actual switch is nowadays a metal oxide semiconductor(MOS) field effecttransistor(MOSFET). These devices conduct the load current directly at the interface between the oxide and the semiconductor.Since the application of these devices in herently requires steady functionality, which can naturally only be guaranteed for finite time durations, investigations towards the reliability of such devicesis important. Reliability is the probability for the operation of a product without failure for a given time underspecified conditions. Semiconductor manufacturers try to increase the probability for the full operation of the product to the highest possible level. However, reliable produc to peration can only be guaranteed up to the target lifetime of a device which is about ten years in the automotive market.Limits forthe reliability of MOSFETs can result from imperfections of the materials used to manufacture the device as well as from degradation mechanisms which occurduring operation.While imperfections or impurities which interfere with the device performancecan usually be ruled out at the end of the production process through burn-in tests, degradation mechanisms whicheventually occur after years of operation arechallenging to characterizeand understand. The key to reliable devices is to understand the influences which accelerate the degradation, and to use this knowledge to transfer the degradation behavior from qualifying tests to the whole lifetime period.Such lifetime projections to use conditions can be done by scaling degradation measurement results with temperature, device area, voltage or with percentile of afailure criterion. The only possibility for device manufacturers to advance the reliability of devices is then to adjust particular processing parameters during production. The impact of these adjustments are then identified with qualifying tests which reflect the long-term degradation behavior of the device to the largest possible extent.A power MOSFET operated within the defined automotive temperaturerange of−40◦Cto150◦C, usually experiences only electric fieldsacross the gate oxide which are well below the breakdown field of the gate oxide. Still, these use conditions can already leadtoan in stability of the threshold voltage of the MOSFETwhich in turn reduces the drain current and the cut off frequency.In extreme cases, the threshold voltage might increase such that complete failure occurs.This effect is usually referred to as bias temperature instability(BTI).Compared to other degradationmechanisms which affect MOSFETs,BT Ioccurs close to the equilibrium condition of the device (roomtemperature, little bias)where as other mechanisms as for example time dependentdielectric breakdown(TDDB)or hot carrierde gradation(HCD)occur at large gateordrain bias, respectively.As alogical consequence, the BTI which occurs already at weak stress conditions is investigated in detail in this thesis before any other mechanism at harsher conditions can be studied. One of the main results of the present work is that the occurrence of BTI is hypothe sized to be due the electric alactivation of initially electrically inactivepoint defect precursors during stress.The range of the mean activation energies of a part of the available precursors is known to be between 1.5e Vand 2.9eV. Such rather large activation energies would need hundreds of years of continuous stress at typical BTI conditions of 100◦C to 200◦Cuntil a measurable amount of defect precursors become activated. In this thesis, support is given for the assumption that activation energies for pointdefect precursors follow avery broad normal distribution, and only the low-energy tail of the distribution is activated during device operation.