今天这篇文献来自微电子所，主要内容，是研究SiC
MOSFET过渡区（transition
region）的UIS失效机理。
背景介绍
实际应用中，功率MOSFET会面对非箝位电感开关（Unclamped Inductive Switching，UIS）问题，微秒量级的时间，产生大量功耗，器件的瞬态结温可能超过1000℃，
UIS工况下，MOSFET的有源区、终端区和过渡区都需要承受雪崩电压并面临热应力，因此UIS故障可能发生在任何区域。
已有报道对4H-SiC MOSFET的UIS失效机理进行大量研究，绝大多数发生在有源区，少数发生在终端区，失效机理多为寄生BJT导通或高温热失效，但关于过渡区UIS失效的报道很少，失效机制尚不明确。
这正是本文的研究内容。
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器件结构和版图如上，
1200V器件，过渡区（Transition region）位于有源区（Active area）和终端区（Terminal area）之间，
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UIS测试电路图和典型波形如上，不赘述，
直接讨论实验结果，
样品展现出三种不同的退化现象，
1、Condition I：所有关键特性（转移特性、阻断特性）完全丧失，栅氧层完全失效，所有电学参数异常。代表器件最终、不可逆的物理损坏。
2、Condition II：一种特殊的完全失效状态，虽然阻断特性消失、栅氧层完全失效（表明发生了严重击穿或短路），但部分关键参数（如阈值电压Vth、导通电阻Rdon）却正常。
推测是局部失效，尚未影响到沟道。
3、Condition III：临界失效状态，表现为栅极电流IGSS剧增，其他所有电学参数均正常。
这是失效的最初阶段，可作为预警信号，表明栅氧层已开始出现损伤，但尚未导致功能性故障。
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先分析DUT3，
（a）、（b）、（c）分别为OM、EMMI、FIB结果，（d）是SiN钝化层损伤，（e）是栅氧/场氧（Gox/Fox）交界处损伤，（f）是栅氧局部损伤。
其中，OM是optical microscope，光学显微镜，EMMI是thermal emission microscope，热发射显微镜，可显示热点（红圈中的亮点），这些热点即为漏电较大or高电场区域，FIB是focused ion beam，聚焦离子束，可显示器件剖面。
通过OM和EMMI，观察到栅PAD边缘处存在热点，表明此处存在异常电场或漏电，再进行FIB分析，发现过渡区中的栅氧出现损伤，使得多晶硅和漂移区之间出现电流通路，导致器件IGSS剧增 。
其他热点位置也发现类似情况，说明不是个例，推测过渡区的栅氧损伤，在UIS工况下具有普遍性 。
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再分析DUT2
EMMI检测到的热点位置与DUT3相同，均为栅PAD周围的过渡区，
但FIB结果有明显差异，
仔细观察（c），红字标注的Huge Crack，那根长而斜的线条，从ILD介质，贯穿栅氧，直至4H-SiC，约5~6μm，（d）的放大图形看得更清楚，一条细长的裂纹。
DUT3的栅氧只是局部损伤（一个点），而DUT2是一条长长的裂纹，差异巨大，这表明雪崩能量太大，已不再是简单的绝缘失效，而是物理结构全面崩塌。
分析认为，该区域承受了异常集中的电应力（高电场、大电流导致）、热机械应力（不同材料热膨胀系数不匹配导致），致使出现巨大裂纹。
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再分析DUT1，
可以看到，栅PAD附近出现大面积烧毁，面目全非，放大后，在图c中可看到，出现倒三角损伤，表明4H-SiC已分解，并被氧化物/多晶硅混合物填充，说明有源区在高温应力下，遭到灾难性损伤。
这与DUT2、DUT3形成鲜明对比，表明失效已从内部、局部损伤（EMMI热点、微观裂纹），发展成外部、全局性、灾难性的物理破坏。
到这里，简单总结一下，
UIS失效发生在过渡区的栅氧/场氧交界处，且失效现象表现出与测试结果相吻合的渐进性，
1、Condition III：过渡区中形成栅氧局部穿透，
2、Condition II：过渡区的栅氧/场氧交界处形成明显裂纹，从ILD穿透至外延层，导致灾难性损坏，
3、Condition I：失效延伸至有源区，对元胞造成严重损坏，最终导致器件热烧毁。
以上展现的过渡区失效演变过程，与有源区中的UIS失效现象完全不同，表明两者的失效机理并不相同。
接下来，结合仿真、版图，详细分析过渡区UIS失效机理。
Fox通常采用CVD沉积，再通过湿法腐蚀进行图形化，随后通过热氧形成Gox，再沉积多晶硅，通过干法刻蚀进行图形化。
Fox湿法腐蚀后，形成约30°的斜面，
斜坡底部与4H-SiC外延层之间的界面形貌，在栅PAD数百微米尺度上，并不均匀，且CVD沉积氧化层与热氧化层之间的致密度存在差异，这些因素导致，Gox/Fox界面处，氧化层质量远低于有源区氧化层质量。
另外，相比Si MOSFET，4H-SiC MOSFET的SiC/SiO2（4.3/0.5）与多晶硅/SiC（2.6/4.3）之间的热膨胀系数（CTE）严重不匹配，结果是——过渡区中的Gox/Fox界面及其附近的有源区，在高温下更容易受到热机械应力的影响。
概述这个过程，
1、存在薄弱点：由于制造工艺和材料特性（CTE失配），过渡区Gox/Fox交界处天生薄弱，
2、应力攻击薄弱点：UIS产生的高温高压应力集中攻击这个点，
3、触发恶性循环：初始损伤引发热-电-应力的正反馈循环，使损伤不断放大，
4、导致最终失效：循环导致材料熔化破裂和金属渗透，造成器件彻底损坏。
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基于以上分析，作者提出一种基于电流聚集效应的动态机制，来解释局部电热应力如何在特定位置（P1, P2...）产生。
当栅PAD周围的主结发生雪崩击穿，空穴电流将在P阱内部流动，通过附近的源极接触孔（Cont）流出，如上图红线所示，此间关键在于，栅PAD边缘某点（如P1）产生的空穴电流，必须绕行，流经邻近点（P2, P3, P4），才能到达接触孔（Cont-1, Cont-2），此时，P1处既有空穴电流，又因P阱电阻而形成电压降，于是产生较大的功耗和热量，形成局部热点，
这与DUT2的热点位置一致。
P2、P3、P4也会经历类似的电流集聚和发热的过程，结果是——整个栅PAD纵向边缘，容易集中电热应力，成为潜在的高风险区。
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仿真结果如上，
（a）是有源区晶格温度分布，（b）是电子电流分布，（c）是空穴电流分布，（d）是过渡区晶格温度分布，
可以看到，电子电流集中在有源区，空穴电流沿主结传导，并从Cont-1位置流出，晶格温度从有源区向过渡区外部扩散。
值得注意的是，仿真结果中的晶格温度偏低，因为失效结构的有源区/终端区比例，与实际芯片不同，但温度扩散的趋势符合实际。
随着空穴电流向主结深处扩散，Gox/Fox界面温度不断升高，最终导致该区域Gox层退化失效。
在更剧烈的雪崩冲击下，甚至会导致4H-SiC外延层分解断裂。
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为解决过渡区UIS失效问题，提出一种改进版图结构，如上，
此前的版图结构，为什么过渡区UIS有问题？
因为主结附近缺乏雪崩电流释放通道，导致雪崩电流需要经P阱中的较长路径，才能到达接触孔。
于是在主结雪崩电流路径上，添加多个源极接触孔，发生雪崩时，空穴电流无需经过长距离路径，即可从源极导出，从而降低主结位置的空穴电流密度。
这与之前那篇针对高dV/dt工况的改进结构，异曲同工，高dV/dt工况，SiC MOSFET的终端可靠性对改进结构的空穴电流密度仿真如上，
可以看到，远端Cont-1位置的空穴电流密度，仅为接触孔位置的0.315%，有效缓解Gox/Fox界面处的电应力和热应力。
小结：
1、1200V SiC MOSFET的三组样品UIS测试结果显示，UIS失效发生在过渡区的栅氧/场氧交界处，且失效现象表现出与测试结果相吻合的渐进性，
从栅氧局部损伤，到栅氧/场氧交界处的明显裂纹，再到器件烧毁。
2、概述过渡区UIS失效过程：由于制造工艺和材料特性（CTE失配），过渡区Gox/Fox交界处天生薄弱→UIS产生的高温高压应力集中攻击这个点→初始损伤引发热-电-应力的正反馈循环，使损伤不断放大→循环导致材料熔化破裂和金属渗透，造成器件彻底损坏。
3、过渡区UIS失效机理是——栅PAD边缘某点（P1）产生的空穴电流，必须流经邻近点（P2, P3, P4），才能到达接触孔，较长的电流路径产生较大的功耗和热量，形成局部热点，使得整个栅PAD纵向边缘容易集中电热应力，成为潜在的高风险区。
4、为解决过渡区UIS失效问题，提出一种改进版图结构，在主结雪崩电流路径上，添加多个源极接触孔，发生雪崩时，空穴电流无需经过长距离路径，即可从源极导出。
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