4H-SiC金属氧化物半导体(MOS)电容器重离子诱导氧化层失效机制的级联击穿模型

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：A Cascade-Breakdown Model for Heavy-Ion-Induced Oxide Failure Mechanisms in 4H-SiC Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) Capacitors

　　

摘要：

单粒子栅介质击穿（SEGR）仍然是碳化硅（SiC）MOSFET在太空环境中部署的关键限制因素，这是由于在SiC体材料上形成稳健、缺陷稀少的介质层时，氧化层质量较差且工艺窗口有限。本文系统研究了4H-SiC金属-氧化物-半导体（MOS）电容器中重离子诱导氧化物击穿的机制。传统的基于物理的氧化物击穿分析通常依赖于单点峰值电场判据。为克服这一局限性并阐明与SiC MOSFET中SEGR相关的局部栅氧击穿物理机制，我们提出了一种新的级联击穿模型，包含四个顺序阶段：由残余空穴积累引起的电场畸变（阶段I）、由局部击穿触发的氧化层减薄（阶段II）、有效氧化层厚度减小与电场叠加耦合（阶段III），最终导致电场失控从而引发级联击穿行为（阶段IV）。我们推导了氧化层减薄过程中峰值电场的解析表达式，并给出了改进的SEGR失效判据。特别是，通过将氧化层减薄过程中的最小峰值电场与本征击穿场进行比较，将复合系数α校准为3×10?? cm3/s。此外，通过将能量沉积涨落纳入所提出的模型，证明计算得到的击穿电压失效概率分布与在Ta和Kr离子辐照下获得的实验结果高度吻合。总体而言，这些发现深化了对SEGR演化机制的微观理解，为抗辐射加固SiC MOS器件提供了关键见解。

I. 引言

碳化硅（SiC）因其宽禁带、高临界击穿场、高电子饱和速度和高热导率，被广泛认为是下一代电力电子的关键半导体材料。得益于这些材料优势，SiC MOSFET已成为航空航天及其他恶劣环境应用中极具吸引力的选择。然而，SiC MOSFET仍然容易受到单粒子效应（SEEs）的影响，这严重限制了其在辐射环境中的可靠性[1]、[2]、[3]、[4]。