碳化硅MOSFET的栅氧可靠性是最重要的器件可靠性指标

碳化硅MOSFET的栅氧可靠性是最重要的器件可靠性指标

碳化硅（SiC）MOSFET的栅氧可靠性是决定器件性能和寿命的关键指标。由于SiC材料的高电场强度和高温工作能力，栅氧化层需要承受更高的电场和温度应力。本文从栅氧层的结构与功能、界面缺陷密度、电场应力等多个维度，深入分析了栅氧可靠性的重要性，并介绍了相应的评估方法和提升措施。

国产碳化硅（SiC）MOSFET的栅氧可靠性之所以被视为最重要的器件可靠性指标，主要是因为它直接影响到器件的整体性能、寿命以及在各种应用环境下的稳定性。栅氧层的可靠性对于器件的长期使用至关重要：由于SiC材料的高电场强度和高温工作能力，栅氧化层需要承受更高的电场和温度应力。如果栅氧层不够可靠，在长时间工作下可能会出现退化，导致阈值电压漂移、漏电流增加等问题，严重影响器件的使用寿命。

1. 栅氧层的结构与功能

栅氧层是国产SiC MOSFET器件MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）结构中的核心部分，位于栅极与半导体之间，通常由二氧化硅（SiO₂）构成，厚度在40~50纳米之间。栅氧层的质量直接决定了SiC MOSFET沟道的性能，进而影响整个器件的工作效率和稳定性。

2. 界面缺陷密度高

SiC材料的特殊性导致其与SiO₂界面处存在大量缺陷电荷，界面缺陷密度比Si/SiO₂高出1-2个数量级。这些缺陷电荷会捕获电子和空穴，造成阈值电压漂移，影响器件的长期稳定性。例如，可移动电荷（如K⁺和Na⁺离子）会在高温高电场下迁移，影响阈值电压的稳定性。

3. 栅氧层的电场应力

SiC MOSFET工作时栅压较大，栅氧层需要承受超过3MV/cm的电场强度。这种高电场应力容易导致栅氧层击穿，尤其是在高温和高电场的极端工况下。此外，SiC/SiO₂界面的隧穿势垒较低，电子更容易发生隧穿，导致栅极隧穿电流增大，进一步影响可靠性。

4. 极端工况下的可靠性问题

在实际应用中，SiC MOSFET常受到极端应力的冲击，如短路、非钳位感性负载开关（UIS）和浪涌电流。这些极端工况会导致栅氧层退化，表现为阈值电压（Vth）和导通电阻（Ron）的退化。例如，重复短路和UIS操作会在栅氧层中引入大量陷阱电荷，导致Vth漂移。

5. 栅氧可靠性评估的重要性

栅氧可靠性评估是提升SiC MOSFET器件性能与寿命的关键。常用的评估方法包括经时击穿（TDDB）、高温栅偏（HTGB）等加速老化测试。这些测试方法可以预测器件在正常服役条件下的寿命，并监测器件静态参数的变化。

6. 提升栅氧可靠性的方法

尽管栅氧可靠性是SiC MOSFET的关键瓶颈，但通过优化工艺可以显著提升其性能。例如，氮退火可以降低界面缺陷密度，提高阈值电压稳定性。此外，高k材料（如Al₂O₃、HfO₂）的引入可以降低栅氧电场强度，减少栅泄漏电流。然而，这些方法也存在局限性，如高温退火过程中可能引入新的界面缺陷。

为了提高国产碳化硅（SiC）MOSFET的栅氧可靠性，国产厂商和技术研究人员采取了多种措施。以下是一些主要的方法：

氮退火：

氮退火是一种常见的技术，通过在氧化过程中引入氮原子来钝化SiC/SiO2界面态，从而减少界面态密度和快界面态的生成。这有助于降低栅氧化层中的电荷陷阱数量，提升器件的长期稳定性和可靠性。

优化氧化工艺：

采用改进的氧化工艺可以形成更高质量的SiO2栅氧化层，例如使用干氧氧化、湿氧氧化或者两者的组合，以及低压化学气相沉积（LPCVD）等方法，以获得更加均匀和平整的氧化层结构。

高K介质材料的应用：

使用高介电常数（high-k）材料代替传统的二氧化硅作为栅介质，可以在不增加物理厚度的情况下提高栅绝缘层的有效厚度，从而增强栅氧化层的击穿强度和耐压能力。

结构设计优化：

对于SiC MOSFET的设计进行优化，如采用分裂栅极设计、沟槽栅极结构或者其他创新性的架构，可以帮助分散电场集中区域的应力，减少局部高电场对栅氧化层的影响。

表面处理与钝化：

在制造过程中对SiC表面进行特殊的清洗、蚀刻或钝化处理，去除表面缺陷并改善界面质量，进而提高栅氧化层的可靠性。

温度和偏压应力测试：

进行高温栅偏（HTGB）和高温反偏（HTRB）等加速寿命测试，模拟实际工作条件下的应力情况，评估和筛选出具有较高可靠性的器件。

掺杂工程：

控制SiC基板中的掺杂浓度及分布，避免过高的掺杂导致的界面态密度增加，同时也要确保适当的掺杂水平以维持良好的导电性能。

这些措施共同作用，旨在减少栅氧化层中的缺陷和界面态，提高其机械强度和电气特性，从而增强SiC MOSFET的整体可靠性和使用寿命。随着研究的深入和技术的发展，预计会有更多创新的方法被开发出来以进一步提升栅氧可靠性。

7. 对器件寿命的影响

栅氧层的质量直接决定了SiC MOSFET的使用寿命。研究表明，商用1200V SiC MOSFET在150°C下，20V栅压下的工作寿命可达数百万小时甚至数亿年。然而，相比Si器件，SiC器件的潜在早期失效仍高出3-4个数量级。因此，提高栅氧质量以减少早期失效是当前亟待突破的关键技术瓶颈。栅氧可靠性是SiC MOSFET最重要的器件可靠性指标，因为它直接影响器件的长期稳定性、使用寿命和实际应用中的可靠性。