CN108318796A - 一种三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法 - Google Patents

Abstract

一种三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法，这种方法可以简单快速的提取三端口碳化硅基功率器件结型场效应区与栅氧层界面处的平均界面态密度，通过在三端口碳化硅基功率器件的栅极外接频率和幅值固定而基压V₀变化的脉冲电压或频率和基压V₀固定而幅值V_p变化的脉冲电压、源极外接反偏电压的负极、漏极外接反偏电压的正极、漏极外接电流表探测电流且电流表串接于漏极、电压源、源极组成的回路中，可以得到一条电流电压曲线，由电流电压曲线的峰值电流通过公式计算即可得到界面态沿结型场效应区上方的平均分布，同时，通过对比应力前后的测试曲线可判断器件结型场效应区与沟道区上方的栅氧层界面在应力作用下的退化情况。

Description

一种三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法

技术领域

本发明属于功率半导体器件可靠性领域，具体涉及三端口碳化硅基功率器件的界面态测试方法。

背景技术

随着汽车工业和便携式电子系统对功率器件性能和可靠性要求的提高，三端口碳化硅基功率器件因其高输入阻抗、低驱动功率、高开关速度以及很好的热稳定性等特点脱颖而出。作为开关器件时，碳化硅基功率器件需要频繁的进行开通和关断，在开关过程中，电流电压变化幅度巨大，在电路寄生参数的影响下会出现电流电压过冲，造成器件击穿、器件的界面特性变差，器件的界面特性严重影响着器件的性能，例如阈值电压、开关速度等，因而能够准确地测量三端口碳化硅基功率器件界面态密度对于器件可靠性的研究尤为重要。

目前比较广泛应用的界面态密度测量方法主要有电容(C-V)方法。由于在外界应力下产生的界面态具有非均匀分布的特点，因此靠传统的电容(C-V)方法，很难可靠、准确地测量器件在外界应力下产生的界面态，本发明提供了一种三端口碳化硅基功率器件界面态的测试方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法，可快速提取器件结型场效应区与栅氧层界面处的界面态，并且通过对比应力前后的测试曲线可判断器件结型场效应区与沟道区上方的栅氧层界面在应力作用下的退化情况。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法，它包括以下测试步骤：

a)测试系统搭建：功率器件的源极外接反偏电压源，电压源的正极连接功率器件的漏极，电压源的负极连接功率器件的源极，使P型基区与结型场效应区的PN结反偏，漏极作为测试电流引出端口外接电流表并所述电流表串接于由漏极、电压源及源极组成的回路中，栅极外接脉冲电压；

b)进行测试操作：在栅极上加栅脉冲电压，所述脉冲电压的频率和幅值固定而基压V₀变化，或所述脉冲电压的频率和基压V₀固定而幅值V_p变化，使栅氧层下方的结型场效应区在积累和反型两种状态之间切换，当结型场效应区处于反型状态时，结型场效应区两侧的P型基区中的空穴在栅极和源极偏压的作用下注入到结型场效应区，部分空穴被结型场效应区与栅氧层界面处的界面态捕获，当结型场效应区切换到积累状态时，结型场效应区中的可动空穴返回P型基区，而陷落在界面态中的空穴将与来自N型衬底的电子复合产生复合电流，在栅脉冲电压作用下，由电流表测得漏极电流I_d并得到漏极电流I_d随基压V₀变化的I_d-V₀曲线或漏极电流I_d随脉冲幅值V_p变化的I_d-V_p曲线；

c)根据所测得的电流电压曲线通过计算即可得到三端口碳化硅基功率器件界面态沿结型场效应区界面分布的平均值；

d)对器件进行应力加载，应力加载后的器件重复步骤a)和b)，测得另一条I_d-V₀曲线或I_d-V_p曲线，将应力前后两条测试曲线进行对比即可得到器件在应力作用下结型场效应区与沟道区上方界面的退化情况。

这种测试方法的优点在于：

1)此方法解决了现有技术在定量测量器件界面态时繁琐的计算过程，现有的电容(C-V)方法测量器件界面态的原理图如图2所示，它通过将源极和漏极短接，并在栅极与源漏极间施加小幅高频测试信号，通过变更栅极直流偏置条件形成CV特性曲线，碳化硅基功率器件栅氧层附近的电容结构如图3所示，它包括沟道区电容C_g1和结型场效应区电容C_g2以及它们上方的栅氧电容C_ox1和C_ox2，由于外界应力会对沟道区和结型场效应区上方的栅氧层界面造成损伤引入界面态，这些界面态影响电容C_g1、C_g2、C_ox1、C_ox2的大小从而会造成CV特性曲线的偏移。

C-V方法测量界面态时易受到外界环境的影响出现测量偏差，因而在计算界面态前需要对CV特性曲线进行矫正，如图4所示，曲线从左到右分别为矫正线、实测线和理想线，图中定位基准点A以上为正界面态电荷Q_it，定位基准点以下为负界面态电荷Q_it，以A点为中心，将V_G取等分点，往横轴正方向为V_G，-1、V_G，-2...V_G，-n...，往横轴负方向为V_G，1、V_{G， 2}...V_G，n...，它们对应的附加电压降分别为和ΔV_FB1、ΔV_FB2...ΔV_FBn，由公式1即可计算得到各等分点处对应的界面电荷量，

Q_it＝C_oxΔV_FB (公式1)

再由表面势场关系，可以求得V_G，n对V_S，n的转换，于是，由公式2可得到各等分点处对应的界面态密度为，

对所有等分点处的界面态密度取平均值即可得到器件在该状态下的平均界面态密度。

由此可以看出传统的C-V方法在定量测量器件界面态时不仅需要经过复杂的测试曲线矫正过程而且矫正后的计算过程相当繁琐，本发明三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法的优点在于，它的计算过程简单明了，本发明中的测试电流是由陷落在结型场效应区界面处界面态中的空穴与来自衬底的电子复合产生的，因而测试电流的大小直接反应了结型场效应区与栅氧层界面处界面态数量的多少，当所有界面态中陷落的空穴参与复合时，测试电流达到最大值，此时只需读取测试电流曲线的峰值电流再通过公式计算即可得到器件在该状态下结型场效应区与栅氧层界面处的平均界面态密度。

2)此方法解决了传统C-V方法无法分离沟道区和结型场效应区上方栅氧层界面处产生的界面态问题，传统C-V方法只能通过CV特性曲线的偏移量得到界面态沿整个栅氧层界面处的平均分布大小，而不能将沟道区和结型场效应区上方栅氧层界面处的界面态分离，单独得到结型场效应区上方栅氧层界面处的界面态。本发明三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法的优点在于，当器件所加栅压为频率和幅值固定而基压V₀变化的脉冲电压时，控制栅压幅值V_p大于结型场效应区的阈值电压V_th和平带电压V_fb之差、基压V₀变化范围为从V_fb1-a(V)至V_th2-V_p(V)，当器件所加栅压为频率和基压V₀固定而幅值V_p变化的脉冲电压时，控制栅压幅值V_p变化范围为从0(V)至V_th2-V₀(V)、基压V₀小于结型场效应区平带电压最小值V_fb1，通过对这些测试条件的控制，可以使得栅脉冲峰值始终小于沟道区的阈值电压V_th2，保证器件在测试过程中处于关断状态，排除器件沟道区电流对测试电流的影响，从而可单独得到结型场效应区的测试电流，再通过计算即可单独得到结型场效应区上方栅氧层界面处的平均界面态密度。

3)此方法通过对比应力前后所测得的电流电压曲线，可直接由曲线幅度的增加或减小判断结型场效应区上方界面态数量的增加或减小，如曲线幅度增加即表明结型场效应区上方的界面态增加，反之则反，同时，可通过电流出现和消失点的左右偏移判断沟道区以及结型场效应区上方界面注入的电荷类型，如电流出现点左移，即表明结型场效应区上方界面注入了负电荷，电流消失点左移即表示沟道区上方界面注入了正电荷，反之则反。

综上所述优点可知本发明三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法可简单快速地提取三端口碳化硅基功率器件结型场效应区与栅氧层界面处的界面态，可为三端口器件可靠性的分析提供快速的判定依据。

附图说明

图1为器件界面态测试方法流程图。

图2为C-V方法测试原理图。

图3为三端口碳化硅基功率器件栅氧层附近的电容分布图。

图4为C-V方法测量得到的CV特性曲线图。

图5为本发明三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法原理图。

图6为局部阈值电压和局部平带电压沿沟道区9和结型场效应区6的分布图。

图7为采用固定频率和脉冲幅值而基压变化的栅脉冲电压方式测试出的应力前后的I_d-V₀曲线。

具体实施方式

一种三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法，它包括以下测试步骤：

a)测试系统搭建：功率器件的源极1外接反偏电压源，电压源的正极连接功率器件的漏极8，电压源的负极连接功率器件的源极1，使P型基区3与结型场效应区6的PN结反偏，漏极8作为测试电流引出端口外接电流表并所述电流表串接于由漏极8、电压源及源极1组成的回路中，栅极4外接脉冲电压，本发明采用的测试仪器为吉时利公司的Keithley 4200半导体特性分析仪；

b)进行测试操作：在栅极4上加栅脉冲电压，所述脉冲电压的频率和幅值固定而基压V₀变化，或所述脉冲电压的频率和基压V₀固定而幅值V_p变化，使栅氧层5下方的结型场效应区6在积累和反型两种状态之间切换，当结型场效应区6处于反型状态时，结型场效应区6两侧的P型基区3中的空穴在栅极4和源极1偏压的作用下注入到结型场效应区6，部分空穴被结型场效应区6与栅氧层5界面处的界面态捕获，当结型场效应区6切换到积累状态时，结型场效应区6中的可动空穴返回P型基区3，而陷落在界面态中的空穴由于具有较长的退陷阱时间将与来自N型衬底7的电子复合产生复合电流，在栅脉冲电压作用下，由电流表测得漏极电流I_d并得到漏极电流I_d随基压V₀变化的I_d-V₀曲线或漏极电流I_d随脉冲幅值V_p变化的或I_d-V_p曲线；

c)根据所测得的电流电压曲线通过计算即可得到三端口碳化硅基功率器件界面态沿结型场效应区6界面分布的平均值；

d)对器件进行应力加载，应力加载后的器件重复步骤a)和b)，测得另一条I_d-V₀曲线或I_d-V_p曲线，将两条测试曲线进行对比即可得到器件在应力作用下结型场效应区6与沟道区9上方界面处的退化情况。

在本实施例中，

器件为三端口碳化硅基功率器件，三端口分别为漏极8、源极1和栅极4外接端口。

当栅极4所加栅脉冲电压的频率和幅值固定而基压V₀变化时，基压V₀变化范围为从V_fb1-a(V)到V_th2-V_p(V)，当栅极4所加脉冲电压的频率和基压V₀固定而幅值V_p变化时，幅值V_p变化范围为从0到V_th2-V₀，以保证栅压始终低于器件阈值电压，器件处于关闭状态，排除器件开启电流对测试电流的影响，其中V_fb1为结型场效应区6平带电压最小值，a为任意大于0的常数，V_th2为沟道区9阈值电压最小值。

栅脉冲电压的频率在100Hz～1000MHz范围内。

当栅极4所加栅脉冲电压的频率和幅值固定而基压V₀变化时，栅脉冲电压的幅值V_p大于结型场效应区6的阈值电压V_th和平带电压V_fb之差，当栅极4所加脉冲电压的频率和基压V₀固定而幅值V_p变化时，基压V₀小于结型场效应区6平带电压最小值V_fb1。

所加的应力为短路开关应力、非钳位电感开关应力、高温栅偏置应力、开态大电流冲击应力、热载流子注入应力或任何可以对器件栅氧层造成损伤的应力。

所述步骤c)中平均界面态密度是通过如下公式获得的：

其中为平均界面态密度，I_test为最大测试电流，q为基本电荷，Ag为栅电极的面积，f为脉冲频率，ΔE为参与测试电流的界面态能量范围。

以下对本发明三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法结合附图作进一步详细描述。

a)构造测试电路，如图5所示采用源极1外接反偏电压、漏极8外接电流表、栅极4外接脉冲电压(所述脉冲电压为频率和脉冲幅值固定、基压变化的脉冲电压方式或频率和基压固定、脉冲幅值变化的脉冲电压方式，本发明只给出了第一种脉冲电压方式下测试的电流电压曲线)的三端口碳化硅基功率器件界面态测试法测得一条电流电压曲线。

b)寻找电流电压曲线上的电流最大值，通过界面态计算公式3即可获得栅氧层5界面处的界面态沿结型场效应区6分布的平均值。

c)对器件进行应力，应力后的器件重复步骤a)和b)测得另一条电流电压曲线，将应力前后两条测试曲线进行对比即可得到器件在应力作用下结型场效应区6与沟道区9上方栅氧层界面的退化情况。

本例实施测试的器件为三端口N沟道碳化硅基功率器件，选取工艺条件良好、界面态均匀的三端口N沟道碳化硅基功率器件，分别在1000s开关应力前后对其进行界面态测试。

测试过程中控制脉冲电压的幅度值V_p大于结型场效应区阈值电压V_th和平带电压V_fb之差，同时，基压V₀初始值应小于结型场效应区的最小平带电压V_fb1，基压V₀与脉冲幅值V_p的和始终小于沟道区阈值电压最小值V_th2，这样就可以得到一条I_d-V₀电流电压曲线，给器件加1000s开关应力后再次测量得到另一条I_d-V₀电流电压曲线，如图7所示。

参照发明内容中的步骤b)则可得到栅氧层5界面处的界面态沿结型场效应区6分布的平均值，对比两条I_d-V₀电流电压曲线可以得到结型场效应区6与沟道区9上方的栅氧层界面在应力作用下的退化情况。

综上所述，采用本发明的三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法，可快速提取三端口碳化硅基功率器件界面态沿结型场效应区6分布的平均值，并且通过对比应力前后的测试曲线可判断器件结型场效应区6与沟道区9上方的栅氧层界面在应力作用下的退化情况。

Claims (6)

1.一种三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法，它包括以下测试步骤：

a)测试系统搭建：功率器件的源极(1)外接反偏电压源，电压源的正极连接功率器件的漏极(8)，电压源的负极连接功率器件的源极(1)，使P型基区(3)与结型场效应区(6)的PN结反偏，漏极(8)作为测试电流引出端口外接电流表并所述电流表串接于由漏极(8)、电压源及源极(1)组成的回路中，栅极(4)外接脉冲电压；

b)进行测试操作：在栅极(4)上加栅脉冲电压，所述脉冲电压的频率和幅值固定而基压V₀变化，或所述脉冲电压的频率和基压V₀固定而幅值V_p变化，使栅氧层(5)下方的结型场效应区(6)在积累和反型两种状态之间切换，当结型场效应区(6)处于反型状态时，结型场效应区(6)两侧的P型基区(3)中的空穴在栅极(4)和源极(1)偏压的作用下注入到结型场效应区(6)，部分空穴被结型场效应区(6)与栅氧层(5)界面处的界面态捕获，当结型场效应区(6)切换到积累状态时，结型场效应区(6)中的可动空穴返回P型基区(3)，而陷落在界面态中的空穴将与来自N型衬底(7)的电子复合产生复合电流，在栅脉冲电压作用下，由电流表测得漏极电流I_d并得到漏极电流I_d随基压V₀变化的I_d-V₀曲线或漏极电流I_d随脉冲幅值V_p变化的I_d-V_p曲线；

c)根据所测得的电流电压曲线通过计算即可得到三端口碳化硅基功率器件界面态沿结型场效应区(6)上方界面分布的平均值；

d)对器件进行应力加载，应力加载后的器件重复步骤a)和b)，测得另一条I_d-V₀曲线或I_d-V_p曲线，将应力前后两条测试曲线进行对比即可得到器件在应力作用下结型场效应区(6)与沟道区(9)上方界面的退化情况。

2.如权利要求1所述的三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法，其特征在于，器件为三端口碳化硅基功率器件，三端口分别为漏极(8)、源极(1)和栅极(4)外接端口。

3.如权利要求1所述的三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法，其特征在于，当栅极(4)所加栅脉冲电压的频率和幅值固定而基压V₀变化时，基压V₀变化范围为从V_fb1-a(V)到V_th2-V_p(V)，当栅极(4)所加脉冲电压的频率和基压V₀固定而幅值V_p变化时，幅值V_p变化范围为从0到V_th2-V₀，其中V_fb1为结型场效应区(6)平带电压最小值，a为任意大于0的常数，V_th2为沟道区(9)阈值电压最小值。

4.如权利要求1所述的三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法，其特征在于，栅脉冲电压的频率在100Hz～1000MHz范围内。

5.如权利要求1所述的三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法，其特征在于，当栅极(4)所加栅脉冲电压的频率和幅值固定而基压V₀变化时，栅脉冲电压的幅值V_p大于结型场效应区(6)的阈值电压V_th和平带电压V_fb之差，当栅极(4)所加脉冲电压的频率和基压V₀固定而幅值V_p变化时，基压V₀小于结型场效应区(6)平带电压最小值V_fb1。

6.如权利要求1所述的三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法，其特征在于，所加的应力为短路开关应力、非钳位电感开关应力、高温栅偏置应力、开态大电流冲击应力、热载流子注入应力或任何可以对器件栅氧层造成损伤的应力。