贏得2021 年IRPS（IEEE 國際可靠性物理研討會）最佳論文獎需要什么？每年有數(shù)十萬篇科學論文出現(xiàn)在電氣和電子工程專業(yè)的出版物中。然而，是什么讓他們中的一個人值得稱贊？為什么一篇關于MOSFET 擊穿和 4H-SiC 外延缺陷之間相關性的論文脫穎而出？這篇論文甚至會在今年獲得認可。隨著IRPS 2022于 3 月 27 日開幕，其貢獻得到了研討會組織者的進一步認可。找出為什么 ST 博客與該論文的主要作者 Patrick Fiorenza 以及他的一些合著者 Santi Alessandrino、Fabrizio Roccaforte 和 Alfio Russo 坐下來。

簡而言之，該研究揭示了新發(fā)現(xiàn)的某些缺陷與碳化硅功率器件的可行性之間的關系。它是 ST 與意大利國家研究委員會微電子與微系統(tǒng)研究所 （Consiglio Nazionale delle Ricerche – Istituto per la Microelettronica e Microsistemi 或 CNR-IMM） 共同努力的產(chǎn)物。兩個團隊在意法半導體位于意大利卡塔尼亞的場地共享一個空間，在那里他們研究碳化硅、氮化鎵等。因此，讓我們來探討一下他們是如何提出這篇獲獎論文的，以及它如何影響下一代ST 目前正在開發(fā) SiC 功率器件。

非功能性 4H-SiC 模具

為什么要談論 4H-SiC？

研究論文指出了兩類缺陷：短期和長期。其中，最嚴重的是

類型，因為它從一開始就不起作用。這篇論文是獨一無二的，因為它首次揭示了晶體缺陷和故障率之間的直接關系。

4H-SiC。正如我們在關于汽車碳化硅的博客文章中看到的那樣，4H-SiC 因其物理特性而備受青睞。它在 947 cm 2 /Vs時提供比 6H-SiC 更好的電子遷移率，但由于其六方晶格中的四個雙層原子結構，它比 3C-SiC 更容易制造。

是什么導致了這一發(fā)現(xiàn)？

作者解釋了他們如何使用原子力顯微鏡和使用掃描電子顯微鏡的橫截面來觀察

. 他們發(fā)現(xiàn)存在結晶沉淀物，或者通俗地說，外延層底部看起來像“巖石”的結構，高度約為 1.90 μm。簡而言之，作者試圖理解為什么這些設備“一到就死”，這使他們更深入地研究并發(fā)現(xiàn)了結晶沉淀物與缺陷率之間的新關系。因此，ST 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 芯片。

這樣的發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了什么？

自本文發(fā)表以來，ST 學會了優(yōu)化我們的 4H-SiC 器件的外延反應室和制造工藝。因此，該研究展示了對理解 4H-SiC 器件背后物理原理的熱情如何影響實際應用。事實上，由于這些發(fā)現(xiàn)，意法半導體可以提高產(chǎn)量，從而制造出更具成本效益和更耐用的設備。反過來，我們可以期待 4H-SiC 功率 MOSFET 滲透到更多的市場和應用，從而有助于提高能源效率。隨著社會應對能源危機和環(huán)境挑戰(zhàn)，積極影響產(chǎn)品能源消耗的能力仍然是一個關鍵目標。

對剩余的 4H-SiC 模具進行壓力測試

揭示了哪些高溫柵極偏置應力測試？

一旦研究人員篩選出

死后，他們將功能正常的產(chǎn)品放入一個包裝中并對其進行壓力測試。第一個挑戰(zhàn)是高溫柵極偏置應力，它提高了柵極氧化物處的電場。科學家們如此努力地推動這些設備的原因是為了監(jiān)測正常和惡劣條件下的行為。有趣的是，他們注意到一些設備在 3 MV/cm 時已經(jīng)表現(xiàn)出異常行為。為了了解為什么會發(fā)生這種情況，他們在原子力顯微鏡下檢查了有問題的芯片，結果顯示柵極氧化物上存在 20 nm 到 30 nm 之間的凸塊。

這一發(fā)現(xiàn)是一項突破，因為它有助于對最初看起來工作正常但在生產(chǎn)過程中幾乎無法發(fā)現(xiàn)的缺陷進行分類。該研究論文不僅解釋了為什么這些器件具有異常的柵極傳導，而且還展示了高溫柵極偏置測試的重要性。因此，這些結果將有助于代工廠更好地監(jiān)控其 SiC 器件的質量。

揭示了什么高溫反向偏差？

在第一次壓力測試之后，這些芯片進行了另一次試驗：高溫反向偏置。該基準持續(xù)了三個月，用于模擬幾十年的正常使用。簡而言之，它幫助作者確定所有設備在其整個生命周期內是否都能正常運行。雖然其中 98% 的人這樣做了，但另外 2% 的人發(fā)現(xiàn)柵極電流異常，柵極電流是正常值的 7 倍。在現(xiàn)實世界的應用程序中，這種行為將代表嚴重的故障。挑戰(zhàn)在于，這個被稱為“無聲殺手”的缺陷雖然一直存在，但只有在多年的正常使用后才會顯現(xiàn)出來。

作者首先使用掃描電子顯微鏡了解出了什么問題，但沒有發(fā)現(xiàn)任何異常。結果，他們改用透射電子顯微鏡，發(fā)現(xiàn)柵極絕緣體下方的半導體存在缺陷。為了進一步了解它是什么，作者使用了原子力顯微鏡，這使他們能夠發(fā)現(xiàn)高度在 18 nm 和 30 nm 之間的三角形缺陷，具體取決于壓力測試的持續(xù)時間。在這一點上，他們了解到從襯底到外延層存在螺紋位錯。因此，他們使用掃描電容顯微鏡來顯示對 MOSFET 器件的物理影響并解釋其錯誤的電氣行為。

只是因為科學家們使用了如此多的調查技術，他們才能夠理解發(fā)生了什么。簡而言之，穿透位錯會影響 4H-SiC 器件的價帶，從而有效地縮小其繃帶。正如我們在博客上多次看到的那樣，SiC 的寬繃帶是該設備出色的電氣特性的原因。因此，任何導致其收縮的因素都會對結構產(chǎn)生嚴重的負面影響。在這種情況下，價帶增加了大約 0.8 eV 到 1 eV，這是很重要的。相比之下，SiC 的繃帶在 2.3 eV 和 3.3 eV 之間變化，而 4H-SiC 則為 3.23 eV。

人類合作取得了什么成就以及為什么如此重要？

作者使用這么多調查工具的能力直接源于 ST 和 CNR-IMM 之間牢固而深入的合作。因此，除了科學成就之外，IRPS 2021 最佳論文獎還獎勵了人類的壯舉。多年的互動和為行業(yè)帶來重大貢獻的愿望使 ST 和 CNR-IMM 共享的不僅僅是辦公空間。因此，我們希望與本文分享的經(jīng)驗是與研究機構、實驗室等合作的重要性。靠近隔壁的大學。聯(lián)系研究人員，看看有哪些合作是可能的。它可能會帶來揭開新謎團的發(fā)現(xiàn)。

審核編輯：郭婷