Modeling of Defect Related Reliability Phenomena
in SiC Power-MOSFETs

Kurzfassung

Eine zentrale Rolle für die Funktionalität des Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFET) spielt seit jeher die Qualität des Materialüberganges zwischen Halbleiter und Isolator. Das gilt auch für Silizium Carbid (SiC) basierte MOSFETs, welche herausragende Eigenschaften für die Verwendung als Schalter in Spannungsumrichtern mit sich bringen. Die Stabilität der Bauteilparameter wird dabei von mikroskopischen Defekten nahe dem SiC/SiO₂ Übergang beeinflusst, die sich elektrisch laden können, was zu einer Erhöhung des Leitungswiderstandes als Folge der elektrostatischen Störung führt. Die Kinetik dieser Ladungstransferprozesse wird dabei wesentlich von der angelegten Gate-Spannung und der Umgebungstemperatur beeinflusst, weshalb der Effekt als Bias Temperature Instability (BTI) bezeichnet wird. Obwohl die Defektdichte am Materialübergang durch einen Passivierungsprozess in Stickstoffmonoxid angereicherter Umgebung erheblich reduziert wird, wirken sich Defekte immer noch nachteilig auf die Lebenszeit von Transistoren aus. Trotz intensiver Forschung ist die chemische Struktur der elektrisch aktiven Defekte noch immer nicht geklärt. Eine weitere nachteilige Auswirkung von Oxiddefekten kann deren Rolle als Transmissionszentren für sogenannte Trap-Assisted Tunneling (TAT) Ströme sein. Beide Effekte, BTI und TAT, resultieren aus inelastischen Tunnel-Ladungsprozessen welche mit Hilfe der Non-Radiative Multi-Phonon (NMP) Theorie beschrieben werden können. Während dieses Model erfolgreich für die detailierte Beschreibung der Ladungstranferkinetik in Silizium basierten MOSFETs verwendet wurde und zur Identifikation zahlreicher struktureller Defektkandidaten geführt hat, blieb dessen Anwendung in SiC MOSFETs bisher aus. Einer der Gründe dafür ist die große Vielzahl und hohe Dichte an Defektstrukturen, die die Extraktion von Bauteil- und Defektparametern mit herkömmlichen Methoden erschweren. Aus diesem Grund wurde die sogenannte Effective Single Defect Decomposition (ESiD) für die Defektparameter Bestimmung in Kombination mit dem Zuverlässigkeitssimulator Comphy verwendet, um die gemessene zeitabhängige Schwellenspannungsverschiebung in verschiedenen lateralen MOSFETs zu reproduzieren. Die auf verschiedenen SiC MOSFET Technologien extrahierten Defektparameter werden anschließend mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie (DFT) berechneten Werten verglichen. Zusätzlich wurde im Rahmen dieser Dissertation ein neues zwei-Zustands-NMP Model zur Beschreibung von TAT Strömen entwickelt, welches den Ladungstransfer zwischen den Defekten berücksichtigt. Mit diesem Model können TAT-Ströme in SiC/SiO MOSCAPs erfolgreich erklärt werden. Zusätzlich wird die Modellierung anhand von bekannten Tunnelströmen in Kondensatoren mit Zirconiomoxid (ZrO ) als Dielektrikum verifiziert. In beiden Oxiden lassen sich die Tunnelströme mit Defekten erklären, deren NMP Parameter exzellent mit jenen die sich aus DFT Rechnungen für sogenannte Polaronen ergeben, übereinstimmen. Zusammenfassend lassen sich beiden Zuverlässigkeitsphänomene, BTI und TAT, in SiC MOSFETs durch Ladungstransfers zu und von Defekten anhand des NMP Models erklären. Die dabei verwendeten Parameter können auf Konsistenz mit DFT Rechnungen geprüft werden, wodurch eine Eingrenzung auf einige wenige Defektkandidaten ermöglicht wird.