今天这篇文章来自中山大学研究1700VSiCMOSFETHTRB失效机理。
先介绍背景
提升可靠性是SiCMOSFET实现进一步推广的关键因素，
而高温反向偏压(HighTemperatureReverseBias，HTRB)测试，便是一种重要的可靠性评估方法，
HTRB测试期间，器件需承受高温和反向偏压，在电应力、热应力共同作用下，加速器件潜在的性能退化，
具体表现，包括击穿电压漂移、阈值电压漂移、漏电增大……
本文的研究内容，便是不同实验条件下，1700VSiCMOSFET的失效机理。
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实验样品如上，1700V平面型SiCMOSFET，由DiodesIncorporated制造，左边是裸芯片布局，右边是封装器件布局，
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器件截面图如上，
该器件采用场限环+JTE终端结构，场氧和聚酰亚胺覆盖其上，
另外，封装器件还会经过金属互连和模塑化合物等封装工艺。
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HTRB测试条件如上，包括两种，
1、固定温度90℃下，改变VDS大小，包括1200V、1500V和1700V，
2、固定VDS=1700V下，改变温度大小，包括30℃、60℃、90℃和175℃，
测试时间较短，只有1000秒（不到17分钟），
恢复时间500秒，用于区分可逆退化or不可逆退化。
在不同条件下，对样品进行HTRB实验。
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1700VHTRB实验前后，裸芯片的击穿曲线如上，
无论90℃还是175℃，实验前后的曲线几乎无变化，芯片性能未退化，表明芯片制造工艺没有问题，
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然而在封装器件中，观察到明显的性能退化，如上，
90℃/1700V条件下，BV明显下降，随后迅速恢复，500秒后，BV恢复到初始状态，
表明该条件下，封装器件出现可逆退化。
175℃/1700V条件下，退化现象有所不同，
0~300秒，BV逐渐下降，
300秒后，BV反而开始增加，即使在500秒恢复期，BV仍然持续增大，这现象背后，必然是一种更复杂的失效机制。
接下来，具体研究封装器件，在不同电压、温度下进行HTRB测试，所有退化趋势都与90℃/1700V情况一致，即BV下降，且应力越大（温度越高、电压越高），下降越多，但所有器件500秒后都恢复初始状态。
由这种可逆退化现象，推测封装过程中引入可移动离子，影响了BV，
因为如果是晶体缺陷之类的原因，退化一般不可逆。
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电场仿真如上，
峰值电场位于最外侧场限环拐角，以及其上的场氧化层区域，从电场方向推断，正电荷从上方的聚酰亚胺向下移动到场氧，电子从下方的SiC材料向上移动到场氧。
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在仿真模型中添加正电荷，结果如上，随着正电荷诸多，BV明显降低，这与90℃/1700V的实验结果吻合，添加负电荷则会使BV升高，这可以解释175℃/1700V条件下，300秒后BV增大的现象，即300秒后BV增大是由负电荷注入场氧引起。
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结合实验和仿真结果，提出退化模型如上，
90℃/1700VHTRB实验，
封装过程的模塑工艺很容易引入污染（带正电荷的移动离子），这些移动离子在电场影响下向场氧化层扩散，导致正电荷注入，使得BV降低，
且，聚酰亚胺与场氧界面存在大量碳氢（C-H）键，高温高电场作用下，碳氢键断裂，氢离子在电场作用下向场氧化层扩散，这种正电荷注入也会使BV降低。
应力撤除后，电场消失，移动离子和H⁺返回原处，BV恢复。
175℃/1700VHTRB实验，
更高温度会在场氧化层/SiC界面生成更多深能级界面缺陷，此时有两种机制同时起作用，
1、正电荷注入，使BV降低，
2、电子从SiC进入场氧，被深能级界面缺陷俘获，使BV增大。
300秒之前，正电荷注入主导，因此BV降低，
300秒之后，电子注入及俘获主导，因此BV增大。
恢复期，正电荷返回原处，但被深能级陷阱俘获的电子无法释放，导致净负电荷留存，因此BV继续升高。
那么如何解决这问题呢？
此前曾有报道，掺硼可以有效阻挡可移动离子，并改善界面态密度，
于是作者制备了场氧掺硼的器件，其余结构完全相同，以作对比，
测试结果表明，
90℃/1700VHTRB实验，BV未出现退化，原因推测是硼离子阻挡了可移动离子进入场氧。
175℃/1700VHTRB实验，BV仅有轻微增大，退化显著削弱，
原因是硼离子可以钝化界面，改善界面态密度，因此高温下由界面缺陷引发的电子注入和俘获效应大幅削弱。
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最后还给出一种奇奇怪怪的终端结构，
在终端刻一些T型槽，用氧化层填满沟槽，仿真显示可以降低场氧峰值场强，
但没有用器件验证，实际效果不得而知。
小结：
1、研究1700V平面型SiCMOSFETHTRB失效机理。
2、1700VHTRB实验前后，裸芯片击穿曲线几乎无变化，表明芯片制造工艺没有问题，
1700VHTRB实验前后，封装器件击穿曲线明显变化，90℃/1700V条件下，BV明显下降，随后迅速恢复，出现可逆退化。175℃/1700V条件下，0~300秒，BV下降，300秒后BV持续增大。
3、仿真结果显示，90℃/1700V条件下，正电荷注入使BV降低，
175℃/1700V条件下，存在两种机制，正电荷注入使BV降低，电子从SiC进入场氧被深能级界面缺陷俘获，使BV增大。
不同时段两种机制的博弈使得器件BV表现出不同趋势。
4、场氧掺硼可有效抑制退化，硼离子不仅可阻挡可移动离子进入场氧，也可钝化界面，改善界面态密度，削弱高温下由界面缺陷引发的电子注入和俘获效应。
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