意法半導體是本年度IRPS研討會的金牌贊助方。我們發表了三篇論文、三張海報、以及一份教程。此外，盡管我們預先錄制了大多數演示內容，我們的代表也會出現在會議現場，以便更好地參與關于可靠性的當前討論。

簡而言之，該研究揭示了最新發現的某些缺陷與碳化硅功率器件可行性之間的關系。它是意法半導體與意大利國家研究委員會（Consiglio Nazionale delle Ricerche- Istituto per la Microelettronica e Microsistemi或CNR-IMM）微電子和微系統研究所共同努力的成果。兩支團隊在意法半導體的意大利卡塔尼亞工廠，共同研究碳化硅和氮化鎵等技術。因此，讓我們探究他/她們如何寫出這篇獲獎論文，以及這項研究成果如何影響意法半導體目前正在開發的下一代SiC功率器件。

失效4H-SiC晶片

為什么談論4H-SiC？

研究論文指出了兩種缺陷：短期缺陷和長期缺陷。首先，最嚴重情況是類型，因為它從一開始就是失效。這篇論文的獨特之處在于，它首次揭示了4H-SiC中晶體缺陷和故障率之間的直接關系。正如我們在關于汽車用碳化硅器件的博文中所看到的，4H-SiC因其物理特性而深受歡迎。它具有比6H-SiC更出色的電子遷移率（947cm2/Vs），但比3C-SiC更容易制造，因為其原子結構是四個雙原子層密排成六邊形晶格。

是什么導致這一發現？

作者解釋了他/她們如何通過原子力顯微技術和橫截面（使用掃描電子顯微鏡）來觀察。他/她們發現了一種晶狀沉淀物，或者通俗地說，這是一種看起來像“巖石”的結構，位于外延層的底部，高度約為1.90μm。簡而言之，作者們想要了解為什么這些器件“送達時已無用”，這促使他們進行了更深入的研究，從而發現了晶狀沉淀物和缺陷率之間的新關系。因此，意法半導體和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晶片。

這一發現的意義是什么？

自本論文發表以來，意法半導體明白要對我們4H-SiC器件的外延反應腔和制造工藝進行優化。因此，該研究展示了探究4H-SiC器件背后物理學原理的強烈愿望如何影響實際應用。事實上，這些研究成果可以幫助意法半導體提高產量，制造出更加經濟劃算且使用壽命更持久的元器件。反過來，我們可以期待4H-SiC功率MOSFET進入更多的市場和應用場景，從而幫助提高能源效率。因為我們的社會面臨能源危機和環境挑戰，設法積極優化產品的能耗仍然是一個非常重要的目標。

剩余4H-SiC晶片的應力測試

高溫柵極偏壓應力測試揭示了什么？

一旦研究人員篩選出晶片樣本，他/她們會將功能正常的樣本放入封裝中，并對其進行應力測試。第一個挑戰是高溫柵極偏壓應力，它提高了柵極氧化層的電場。科技人員反復測試這些器件是為了監測它們在正常環境和惡劣條件下的表現。有趣的是，他/她們注意到一些器件在3 MV/cm時已經出現異常表現。為了找到該現象發生的原因，他/她們運用原子力顯微鏡檢查了有問題的晶片，發現柵極氧化層存尺寸為20- 30 nm的凸起。

該發現標志著一次重大進展，幫助人們挑選那些乍看起來工作正常，其實在生產過程中幾乎不可能發現的缺陷的元器件。研究論文不僅解釋了器件出現異常柵極導通現象的原因，還表明了高溫柵極偏置測試的重要性。該研究成果將有助于晶圓廠更好地監控其碳化硅元器件的品質。

高溫反向偏置揭示了什么？

第一次應力測試后，晶片進行了另一項試驗：高溫反向偏置測試。該基準測試持續了三個月，足以模擬幾十年的正常使用。簡言之，它幫助作者確定所有器件在其整個生命周期中是否都能工作正常。98%的器件工作正常，但另外2%的器件顯示出異常情況，柵極電流比正常值高7倍。在實際應用中，這種現象代表嚴重故障。挑戰在于，這種被稱為“沉默殺手”的缺陷雖然一直存在，卻只有在正常使用多年后才會顯現出來。

作者首先使用了掃描電子顯微鏡來探尋問題出在何處，但沒有發現任何異常。于是，他/她們改用透射電子顯微鏡，從而發現柵極絕緣體下的半導體中存在缺陷。為了進一步了解這一缺陷，作者使用了原子力顯微鏡，該設備幫助他/她們發現一個高度在18nm - 30 nm之間的三角形缺陷，具體高度取決于應力測試的持續時間。此時，他/她們明白這是從基板到外延層的穿透差排。因此，他們使用掃描式電容顯微鏡來顯示對MOSFET器件的物理影響，并解釋其出錯的電氣原因。

科技人員使用了如此多的研究技術，所以他/她們才能明白問題之所在。簡單地說，穿透差排影響4H-SiC器件的價電子帶，使其帶隙明顯收縮。正如我們在博文中多次看到的，SiC的寬帶隙是器件具有卓越電氣性能的原因。因此，任何導致帶隙收縮的因素都會對結構產生嚴重的負面影響。在這種情況下，價電子帶增加了約0.8eV-1 eV，非常明顯。相比之下，SiC的帶隙范圍在2.3 eV-3.3 eV之間，4H-SiC的帶隙為3.23 eV。

人員合作取得了什么成就？人員合作為什么重要？

作者能夠使用如此多的研究工具，直接得益于意法半導體和CNR-IMM之間的牢固和深入的合作。因此，除了科學成就，IRPS2021年度最佳論文獎也是對這一人們重大發現的回報。意法半導體和CNR-IMM進行了多年互動，均擁有為行業發展做出重大貢獻的愿望，雙方共享的不僅僅是辦公空間。因此，我們希望通過本文分享的經驗是與研究機構、實驗室等合作的重要性。與附近的大學增強合作。聯系研究人員，看看能開展哪些合作。合作可能帶來新發現，揭開未解之謎。