一种影响SiCMOSFET阈值电压不稳定的陷阱表征方法

本发明涉及sic mosfet陷阱测试方法以及陷阱与阈值电压漂移的对应关系，属于功率半导体器件测试领域。

背景技术：

1、碳化硅场效应晶体管(sic mosfet)及其模块具有尺寸小、耐高温、工作频率高以及开关损耗低等特点，在航空航天、军用武器系统、电能转换、新能源汽车及工业驱动等需要大功率电能转换领域具有广泛的应用前景。

2、目前，sic mosfet器件设计及工艺基本成熟，制约其广泛应用的最大挑战之一来自产品可靠性问题。准确测量阈值电压是研究sic mosfet器件栅氧退化等可靠性问题的前提，是近年来研究关注的焦点。sic/sio2界面中的界面态密度dits可以达到1011-1012cm-2/ev，较si器件高出2个数量级。而且sic的导带能级与sic/sio2界面的陷阱能级更为接近，因而sic mos的界面陷阱易于释放和俘获电荷。随时间及栅极电场的变化，sic mosfet的sic/sio2界面陷阱不断释放或俘获电荷，界面陷阱还可以作为“中介”辅助载流子隧穿到氧化物中被陷阱俘获，这是其参数不稳定以及可靠性问题的主要原因。

3、现如今的陷阱表征方法由dlts，tdrc和瞬态电流曲线等方法。但tdrc与dlts所需的测试条件都非常苛刻，设备必须放置在低温环境中，并承受大范围的温度变化，这对实验仪器的性能提出了很高的要求。瞬态电流测量陷阱的方法更为便捷，但该方法在sicmosfet应用时未对碳化硅材料陷阱进行排除，测试时sic mosfet体内的材料陷阱同时会恢复，该行为可能与栅氧化层界面陷阱与氧化物陷阱引起的恢复行为重叠，使得结果存在一定误差。同时鲜有文献提及将陷阱与阈值电压漂移进行清晰对应。

4、目前，针对sic mosfet栅氧化层陷阱的表征停留在浓度分布等方面，而阈值电压等参数的不稳定与陷阱的具体对应关系却鲜有研究。在国内还没有一套成熟的准确表征影响sic mosfet阈值电压不稳定的陷阱的方法。需要进一步优化瞬态电流曲线法表征器件陷阱，同时与阈值电压漂移相互对应，构建一种可以表征影响sic mosfet阈值电压漂移的陷阱的方法。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种表征影响sic mosfet阈值电压漂移的陷阱的适用条件，该条件(1)给定了ids随时间的瞬态变化曲线的测试条件(分为填充和测试两个阶段，填充栅压通常高于测试栅压，同时存在一组填充栅压与测试栅压相同的标准组。例如测试组填充栅压8v，填充漏压为0v，测试栅压5v，测试漏压为1v，标准组填充栅压与测试栅压都为5v，填充漏压为0v，测试漏压为1v，但不限于此，测试ids随时间的瞬态变化曲线，两组结果相减排除碳化硅材料陷阱干扰)；(2)通过贝叶斯反卷积的方法对曲线进行分析，测试不同陷阱的时间常数，和定性代表陷阱量的陷阱峰的幅值(测试得出两个陷阱峰，时间常数分别为300ms和30s左右，但不同器件结果不限于此)；(3)给定了不同脉宽填充下，阈值电压漂移与陷阱幅值变化的对应关系(根据陷阱的时间常数，改变不同填充栅压脉宽，采取相同测试条件，对应阈值电压漂移与陷阱幅值的变化，例如填充栅压脉宽50ms-1s，100s-300s但不限于此)；(4)给定了不同间隔时间下，阈值电压漂移与陷阱幅值变化的对应关系(改变不同间隔时间，采取相同测试条件，对应阈值电压漂移与陷阱幅值的变化，例如间隔时间10ms-1s但不限于此)。

2、在现行sic mosfet陷阱表征的方法上，添加填充栅压与测试栅压相同的标准组测试，将测试结果与标准组结果相减，可以屏蔽碳化硅材料陷阱的影响。利用上述的实验条件，观察阈值电压漂移与陷阱变化的对应结果。该条件方法无需增加额外的测试电路，利用现有成熟体系下的测试设备即可无损表征影响sic mosfet阈值电压漂移的陷阱。

3、本发明采用的技术方案如下：

4、(1)在不同大小填充栅压和测试栅压下，对sic mosfet器件ids随时间的瞬态变化曲线进行测量，从陷阱填充完整度，器件开启的程度对陷阱俘获与释放电荷的角度去分析评定填充栅压与测试栅压的幅值选取是否合适。评估后选定填充栅压为8v，测试栅压为5v。

5、(2)采取贝叶斯反卷积的方法对瞬态电流曲线进行分析。不同陷阱的时间常数与幅值不同，测试结果为后续改变实验条件打下了基础。

6、(3)施加不同脉宽的填充栅压对陷阱的填充效果同样不同，将填充脉宽设置为两个陷阱的时间常数附近，改变填充栅压脉宽为50ms-1s和100s-300s两个范围。对比陷阱幅值的变化和阈值电压的漂移结果，判断不同时间常数的陷阱对阈值电压漂移的影响程度。

7、(4)在填充栅压和测试栅压之间存在一段间隔时间，该时间会存在一部分近界面陷阱快速释放电荷的可能。改变间隔时间为10ms-1s，对比陷阱幅值的变化和阈值电压的漂移结果，判断不同时间常数的陷阱对阈值电压漂移的影响程度。

8、(5)根据所选定的测试条件得出的实验结果，综合比较不同填充栅压幅值、不同填充脉宽与不同间隔时间对陷阱以及阈值电压的影响，进而得出影响sic mosfet阈值电压不稳定的关键陷阱。

9、实现该测试条件的设备包括：1)半导体参数测试仪(例如但不限于keysight公司生产的b1505)；2)被测sic mosfet器件；3)恒温温箱或恒温水箱，所述1)半导体参数测试仪用于给所述2)sic mosfet器件施加不同的填充栅压以及测试栅压，测量sic mosfet的瞬态电流曲线，所述3)恒温温箱或恒温水箱对所述2)被测sic mosfet器件提供一个恒定的温度。

10、本发明的特征在于，该发明还包括以下步骤：

11、步骤一：将sic mosfet器件放置在恒温温箱当中，保持测试温度一致，利用半导体参数测试仪对器件进行测试。包括但不限于以下测试参数数值，设置测试条件01为：栅极填充电压为8v，漏极填充电压为0v，测试栅极电压为5v，测试漏极电压为1v，测出初始情况下瞬态电流曲线ids-t图像；同时设置填充栅压与测试栅压都为5v的标准组，测出第二条瞬态电流曲线ids-t图像，两条曲线相减得出准确的瞬态电流变化曲线。

12、步骤二：利用贝叶斯反卷积的方法分析准确的瞬态电流变化曲线，处理图像得到不同陷阱峰的时间常数与幅值；

13、步骤三：保持半导体参数测试仪的测试模式，在每组测试固定测试条件01的情况下，以陷阱时间常数为基础，改变填充栅极电压的脉宽，得到一组不同脉宽填充栅压下的瞬态电流曲线ids-t图像；利用贝叶斯反卷积的方法处理图像得到不同填充脉宽下陷阱峰幅值的变化结果；

14、步骤四：利用测试转移曲线的模块，施加步骤三填充栅极电压，得到转移特性曲线ids-vgs图像；处理ids-vgs图像得到阈值电压的变化结果；

15、步骤五：重复步骤三与步骤四，改变不同填充栅压电压脉宽，对比陷阱峰幅值与阈值电压的变化结果判断不同时间常数的陷阱对阈值电压漂移的影响；

16、步骤六：保持步骤三半导体参数测试仪的测试模式，在每组测试固定测试条件01的情况下，改变填充栅压与测试栅压之间的间隔时间，得到一组不同间隔时间下的瞬态电流曲线ids-t图像；利用贝叶斯反卷积的方法处理图像得到不同间隔时间下陷阱峰的变化结果；

17、步骤七：利用测试转移曲线的模块得到不同间隔时间下的转移特性曲线ids-vgs图像；处理ids-vgs图像得到阈值电压的变化结果，

18、步骤八：重复步骤六与步骤七，改变不同间隔时间，对比陷阱峰幅值与阈值电压的变化结果，判断不同时间常数的陷阱对阈值电压漂移的影响；

19、最终，根据前面的实验步骤，对比不同实验条件下陷阱峰与阈值电压的结果变化，实现陷阱峰幅值变化与阈值电压漂移之间的一一对应，实现对影响阈值电压漂移的关键陷阱的无损表征。

20、步骤一初始测试器件陷阱峰为了给后续改变测试条件奠定基础，后续测试步骤中，改变条件后的瞬态电流曲线ids-t都为减去标准组后的结果。

21、步骤一至步骤八每一次改变某一条件数值时，其他不变条件选择避免阈值电压漂移的最优数值，可以确保探究每个单一条件对陷阱峰幅值以及阈值电压的影响。

22、步骤四和步骤七阈值电压数值的确定为漏源电流ids大小为10ma时所对应的栅压vgs。

23、本发明的有益效果是：本发明所述的方法及测试条件简单、操作方便，针对现有的sic mosfet陷阱表征方法进行了优化，同时将陷阱峰幅值变化与阈值电压漂移进行了一一对应，提出一种表征影响sic mosfet阈值电压不稳定的关键陷阱的方法。