关于沟槽功率MOSFET和IGBT中高温反偏与温湿度偏压可靠性失效机理及改进的研究报告

主要作者及发表信息

本研究由来自新加坡STMicroelectronics Pte Ltd.研发技术开发部门的Ai Loon Ooi、David Goh（通讯作者）和Voon Cheng Ngwan共同完成。该论文于2021年9月1日首次发表，并于2021年12月13日在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》第9卷上以当前版本刊出。

研究背景与目标

随着沟槽型功率器件（如沟槽场板功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、沟槽超结MOSFET、沟槽场截止绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等）的广泛商业化，其在追求更低导通功耗的同时，也面临着严峻的可靠性挑战，其中最突出的是高温反偏（High Temperature Reverse Bias, HTRB）和温湿度偏压（Temperature Humidity Bias, THB）测试中的失效问题。这些失效问题可能阻碍器件微缩、终端设计和更小封装等技术的进一步发展。HTRB测试的一种常见失效模式是阈值电压（Vth）漂移，而THB测试的失效则表现为漏源极泄漏电流（Idss）漂移。研究界已认识到，良好的介电保护层，特别是金属前介质（Pre-Metal Dielectric, PMD）层，对于防止外部污染、保护栅氧化层至关重要。掺杂磷的PMD层，如硼磷四乙基原硅酸盐（BPTEOS）或磷四乙基原硅酸盐（PTEOS）薄膜，被广泛用于此目的。然而，传统提升HTRB可靠性的方法是增加PMD层中的磷浓度，但这会导致THB可靠性恶化，因为过多的磷会吸收水分，在PMD表面形成漏电路径。因此，本研究的核心目标是深入探究PMD层中负责俘获导致HTRB失效的氢质子（H⁺）的具体元素，并在此基础上开发能够同时改善HTRB和THB可靠性且不产生负面权衡的新型解决方案。

研究工作流程与详细实验

本研究精心设计并实施了一系列实验，其工作流程主要包含以下几个紧密关联的环节：失效机理的确认、PMD层中H⁺俘获元素的鉴定，以及两种独立改进方案的提出与验证。

首先，研究团队对HTRB和THB的失效机理进行了清晰的界定与确认。在先前的工作中（发表于EDTM 2020），他们通过对HTRB失效器件施加正负栅极应力的方法，确认了导致Vth漂移的污染物是带正电的氢质子（H⁺）。这些H⁺离子很可能来源于封装中的有机树脂材料，它们穿透保护不足的介电层进入栅氧化层，导致了器件性能退化。同时，在发表于EDTM 2021的研究中，他们证实THB失效是由于高浓度磷的PMD表面吸湿导致水分积聚，形成漏电路径，并且通过干燥实验实现了器件的恢复，从而验证了这一机理。这一清晰的机理认知明确了研究目标：必须提升PMD层对H⁺的俘获能力，同时避免其表面磷浓度过高。

基于此，研究的第二环节是鉴定PMD层内的具体H⁺俘获元素。研究团队制备了两种不同类型的功率器件作为研究对象：一款是80V N沟道沟槽功率MOSFET，其栅氧化层厚度为600埃（Å）；另一款是650V N沟道沟槽场截止IGBT，栅氧化层厚度为1100埃（Å）。实验首先聚焦于80V MOSFET。为探究传统方法的效果，团队通过变化前驱体三乙基磷酸酯（TEPO）的流量，制备了一系列不同磷重量百分比的PMD BPTEOS样品，这些样品均采用常规的亚常压化学气相沉积（SACVD）技术。初步的HTRB测试（168、500和1000小时）结果显示，低磷含量（4.0%和6.0%）的器件在500小时后开始出现Vth漂移，并在1000小时后显著恶化；而将磷含量提升至7.0%，即可完美抑制Vth漂移。然而，对应的THB测试表明，7.0%磷含量的器件出现了大量的Idss漂移失效。这清晰地揭示了单纯调整磷浓度在HTRB和THB性能之间存在一个不可调和的权衡。

为了突破这一困境，团队进一步研究了不同PMD沉积技术的影响，比较了SACVD、常压化学气相沉积（APCVD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）三种技术制备的、磷含量均为4.0%的PTEOS薄膜。实验结果显示，PECVD PTEOS表现出卓越的HTRB性能，在1000小时测试后几乎未发生Vth漂移，而SACVD和APCVD样品则出现了灾难性失效。为了解释这一差异，团队使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对三种薄膜进行分析，以确认H⁺俘获中心。FTIR谱图通过归一化、分峰和积分面积计算，定量分析了磷氧双键（P=O）的密度。结果显示，PECVD薄膜的P=O键红外峰面积（0.62）远高于APCVD（0.28）和SACVD（0.20），这表明PECVD薄膜中含有最高密度的磷氧空穴中心（Phosphorus-Oxygen-Hole-Center, POHC）——一种关键的H⁺俘获位点。此外，FTIR分析还发现PECVD薄膜的硅氧（Si-O）伸缩振动峰向低波数方向偏移（从约1166 cm⁻¹移至1068 cm⁻¹），这被推断为形成了非化学计量比的氧化硅（SiOx, x），即产生了更多具有未配对电子的悬挂键（Dangling Bonds）。悬挂键是另一种高效的H⁺俘获中心。因此，该实验结论性地证实了，PECVD技术因其能产生丰富的POHC和悬挂键，从而赋予了PMD层最强的H⁺俘获能力。

研究的第三环节是对PECVD PTEOS方案进行验证和推广。团队在结构更复杂、电压等级更高的650V沟槽场截止IGBT上重复了对比实验。如图12所示，即使经过1000小时的HTRB应力，采用PECVD PTEOS的IGBT器件依然展现出极佳的Vth稳定性，而采用SACVD BPTEOS的对照样品则出现了明显的漂移。这一结果充分证明了PECVD方案不仅在低压器件中有效，在高压器件中同样是一种可阻断外部H⁺的优异解决方案。

然而，考虑到PECVD技术在平坦化能力上逊于SACVD或APCVD，不适用于所有产品（如对接触孔设计要求较高的产品），研究团队在最后环节开发了第二种创新方案：引入未掺杂的四乙基原硅酸盐（TEOS）盖帽层（Capping Layer）。他们在80V MOSFET上制造了这种新型PMD叠层，即在常规的BPTEOS层之上沉积了一层无磷的TEOS层。飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）分析证实，此盖帽层在PMD表面形成了一个厚度约700埃（Å）的无磷区域，而主体BPTEOS层仍可保持高磷浓度。随后的HTRB和THB可靠性测试（如图14和15所示）完美地验证了这一设计的有效性：带有TEOS盖帽层的器件在HTRB和THB测试后，其Vth和Idss均无任何漂移，完全解决了原先的可靠性权衡难题。

研究结论与重要价值

本研究系统地揭示了沟槽功率器件中HTRB和THB两种关键可靠性的失效机理，并创新性地提出了两种行之有效的改进方案。其科学价值在于，研究首次明确鉴定并证实了PMD层中的POHC和悬挂键是俘获H⁺离子、抑制HTRB Vth漂移的核心功能元素。通过详实的FTIR光谱分析，建立了PECVD沉积技术能够最大化这些有益缺陷密度的关联，为材料选择提供了理论指导。其重要的工程应用价值在于，提供了两条清晰的技术路径来解决行业痛点：一是采用PECVD PTEOS替代传统的SACVD/APCVD BPTEOS，在无需增加光刻掩膜版的情况下根本性地提升器件HTRB可靠性；二是发明了一种新型的PMD/TEOS盖帽层堆叠结构，通过物理隔离策略（表面无磷以防潮，体区高磷以俘获H⁺），巧妙地解耦了HTRB和THB性能之间固有的矛盾，以一种工艺兼容的方式同时实现了两种性能的协同优化，为下一代更高性能和更小封装的功率器件开发铺平了道路。

研究亮点

本研究的亮点主要在三个方面：第一，对失效根源的精确解析，不仅确定了H⁺离子是致污染物，更深入到原子尺度，锁定PMD薄膜中的POHC和悬挂键是具体的功能位点，将宏观失效现象与微观材料结构缺陷直接关联。第二，方法上的综合性，研究不仅揭示了问题，还提供了两种截然不同但均经过实验严格验证的普适性解决方案，其中PECVD方案凸显了工艺选择的重要性，而TEOS盖帽层方案则展现了器件结构创新的魅力，后者尤其因其“解耦权衡”的巧妙思路而具有很高的创新性。第三，研究对象的广泛覆盖性，验证实验横跨了80V MOSFET和650V IGBT两种截然不同的功率器件平台和电压等级，确保了所提出解决方案的强大普适性和工业应用潜力。