Contribution to the study of the SiC MOSFETs gate oxide

par Oriol Aviñó Salvadó

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Hervé Morel.

Soutenue le 14-12-2018

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) (laboratoire) , Ampère (laboratoire) et de Ampère, Département Méthodes pour l'Ingénierie des Systèmes (équipe de recherche) .

Le président du jury était Nathalie Malbert.

Le jury était composé de Hervé Morel, Nathalie Malbert, Alberto Castellazzi, Francesco Iannuzzo, Cyril Buttay, Stéphane Lefebvre.

Les rapporteurs étaient Alberto Castellazzi, Francesco Iannuzzo.

  • Titre traduit

    Contribution à l'étude de la robustesse de l'oxyde de grille des MOSFET en SiC


  • Résumé

    Les MOSFET en SiC sont appelées à remplacer les IGBT en Silicium pour des applications de demandant une plus forte vitesse de commutation. Cependant, les MOSFET en SiC ont encore quelques problèmes de fiabilité, tels que la robustesse de la diode interne ou bien la robustesse de l'oxyde de grille. Cette dernière est liée à l’oxyde de grille des composants du type MOSFET. Des instabilités de la tension de seuil sont aussi signalées. Cette thèse aborde ces deux sujets sur des MOSFET commerciaux 1200 V. L'étude de la diode interne met en évidence que les caractéristiques I-V (de la diode intrinsèque) demeurent stables après l'application d'un stress. Cependant, une dérive surprenante de la tension de seuil apparaît. Des tests complémentaires, en stressant le canal à la place de la diode, avec les mêmes contraintes n'ont pas montré de dérive significative de la tension de seuil. Donc, l'application d'un stress en courant quand le composant est en mode d'accumulation semble favoriser l'apparition des instabilités de la tension de seuil. La robustesse de l'oxyde de grille concerne les instabilités de la tension de seuil, mais aussi l'estimation de la durée de vie à des conditions d'opération nominales. Les résultats obtenus montrent que la durée de vie de l'oxyde de grille n'est plus un problème. Pourtant, le suivi du courant de grille pendant les tests ainsi que les caractérisations de la capacité de grille mettent en évidence des translations de la courbe C(V) à cause des phénomènes d’injection des porteurs et de piégeage, mais aussi la possible présence d’ions mobiles. Aussi, une bonne analyse des dégradations et dérives liées à l’oxyde de grille doit être réalisée.


  • Résumé

    SiC power MOSFETs are called to replace Si IGBT for some medium and high power applications (hundreds of kVA). However, even if crystallographic defects have been drastically reduced, SiC MOSFETs are always concerned by some robustness issues such as the internal diode robustness or the robustness of the gate oxide. The last one especially affects MOSFETs devices and is linked to the apparition of instabilities in the threshold voltage. This thesis focuses on these two issues. The study of the internal diode robustness highlighted that the I-V curve (of the intrinsic diode) remains stable after the application of a current stress in static mode, but also with the DUT placed in a converter with inductive switchings. These are the most stressful conditions. However, a surprising drift in the threshold voltage has been observed when some devices operates under these conditions; in static mode or in a converter. Complementary tests stressing the channel instead of the internal diode in the same temperature and dissipated power, have not resulted in a drift of the threshold voltage. Thus, the application of a current stress when the device is in accumulation regime could favour the apparition of instabilities in the threshold voltage. The study of the gate oxide focus in the instabilities of the threshold voltage, but also on the expected lifetime of the oxide at nominal conditions. Results obtained shown that the expected lifetime (TDDB) of the oxide is no longer a problem. Indeed, tests realized in static mode, but also in a converter under inductive switching conditions resulted in expected lifetimes well above 100 years. However, the monitoring of the gate current during the test and gate capacitance characterizations C(V) highlighted a shift in the capacitance due to carrier injection and trapping phenomena and probably to the presence of mobile-ions. Still regarding the instabilities of the threshold voltage, classic tests resulted in no significant variations of the threshold voltage at 150 _C. However, at 200 _C the drift observed for some manufacturers is higher than +30%. This is unacceptable for high-temperature applications and evidence that the quality of the gate oxide and the SiC=SiO2 interface must continue to be improved, together with the manufacturing methods to minimize the presence of mobile ions in the substrate.


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