Charakterisierung und Modellierung von SiC Transistoren

Abstract

Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) Bauelemente auf Basis von Silizium (Si) haben in den letzten Jahrzehnten im Bereich der Leistungselektronik eine kontinuierliche Optimierung erfahren. Mit dem Erreichen von fundamentalen Grenzen in diesem Optimierungsprozess, sind Wide-Bandgap (WBG) Materialien in den Fokus zur weiteren Reduzierung der Leistungsverluste geraten. Siliziumkarbid (SiC) hat sich dabei in jüngster Zeit als das vielversprechendste WBG-Material erwiesen. Eine hohe Zuverlässigkeit der Bauelemente, beeinflusst durch die Erzeugung und Umladung von Defekten an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Oxid, sowie im Oxid, ist eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz von SiC-MOS-Feldeffekttransistoren (MOSFETs). Hohe Grenzflächenund Oxiddefektdichten, welche zu einer Hystereseausbildung und erhöhten Schwellenspannungsverschiebungen führen, erfordern neue Methoden der Bauteilcharakterisierung. Die physikalischen Eigenschaften, wie z.B. energetische Verteilung und Dichte der Defekte, die an der Bauteildegradierung beteiligt sind, sind noch nicht im Detail erforscht. Die Charakterisierung von 4H-SiC n-Kanal MOSFETs mit fortgeschrittenen Measure-Stress-Measure (MSM)-Methoden und die Kalibrierung des eindimensionalen Bauteilsimulators Comphy, um konsistente Simulationen der extrahierten Schwellenspannungsverschiebung bei sogenannten positiven Bias Temperature Instabilities (BTI) Bedingungen zu erzielen, wird in dieser Arbeit gezeigt. Das von den MOSFETs gezeigte Degradationsverhalten kann mithilfe einer modifizierten MSM Sequenz in zwei Komponenten unterteilt werden. Eine Komponente die im wesentlichen zu sehr schneller, reversibler Schwellenspannungsverschiebung beiträgt und sich aus Interfacedefekten mit hoher Dichte ergibt, und eine Komponente, die sich aus Oxiddeffekten am Leitungsband ergibt und für sehr langsame Degradationseffekte verantwortlich ist, wurden extrahiert. Die simulierte Schwellenspannungsverschiebung, modelliert unter Anwenden der Non-Radiative Multi-Phonon (NMP) Theorie, zeigt eine gute Übereinstimmung mit den experimentell extrahierten Daten. Die Oxiddeffekte an der 4H-SiC-Leitungsbandkante zeigen die gleichen physikalischen Eigenschaften wie die zuvor in Si-MOSFETs extrahierten und experimentell verifizierten und können daher als Eigenschaft des amorphen Oxids betrachtet werden. Basierend auf den extrahierten physikalischen Parametern wird die Degradation für eine typische Bauteil Lebensdauer von zehn Jahren simuliert und zeigt einen positiven Drift von ≈ 10 % der anfänglichen Schwellenspannung.

Metal-oxide-semiconductor (MOS) devices fabricated employing silicon (Si) as substrate material and used for power electronics have experienced an ongoing optimization over the past decades. With attaining fundamental limits in this optimization process, a new class of materials, namely so called wide-bandgap (WBG) materials, have attracted the interest of the industry, as due to outstanding properties of this class of materials further reduction of power losses are expected. Among the large list of WBG materials silicon carbide (SiC) has shown to be the most promising candidate for power electronics. Highly stable operation, i.e. device reliability, is seriously affected by generation and charging/discharging of single defects at the interface and in the oxide, but is a main requirement for the successful implementation of SiC MOS transistors. However, SiC transistors exhibit a significant interface state and oxide trap density which is remarkably higher than obtained for Si technology. The high defect densities are responsible for a pronounced hysteresis of the IV characteristics, and seriously enhanced threshold voltage shifts. This behavior imposes new challenges for experimental studies, and requires new methods for reliability characterization. From the modeling point of view the exact physical properties of the involved electrically active defects, such as energetic distribution and densities, are still unknown, and require further device simulations. The characterization of 4H-SiC n-channel MOS transistors with advanced measure-stress-measure (MSM) methods and the calibration of Comphy, which is a compact one-dimensional device simulator, in order to achieve consistent simulations of the threshold voltage shift at positive bias temperature instability (BTI) conditions, is shown in this work. As further pointed out, the observed degradation behavior shown by the investigated devices can be separated in two main components using a modified MSM sequence. A fast recovery component resulting from a high density of interface states, and contributions resulting from shallow electron traps, responsible for long term degradation, are both extracted in this work. The simulated drifts of the threshold voltage, modeled within the framework of non-radiative multi-phonon (NMP) theory, show good agreement with the experimental data. It is found that pre-existing oxide traps at the 4H-SiC conduction band edge show the same physical properties as previously extracted in Si transistors, and are verified by experimental observations. This charge trapping of oxide defects can thus be considered as a peculiar property of the amorphous oxide. Based on the extracted physical parameters, the accumulated degradation for a typical device lifetime of ten years shows a positive drift of at least 10 % of the initial threshold voltage.