Study on the effect of residual damage on reliabilities in short-circuited SiC MOSFETs

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01303
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 岩室 憲幸 筑波大学, 数理物質系, 教授 (50581203)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 原田 信介 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究チーム長 (20392649) ; 矢野 裕司 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (40335485)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: SiC MOSFET / 負荷短絡破壊 / 電気－熱－応力連成解析 / TCADシミュレーション / アルミ電極と銅電極 / 引っ張り応力、せん断応力 / SiC/SiO2界面

Outline of Annual Research Achievements

・2020年度までの我々の研究において、SiC MOSFET負荷短絡時の破壊メカニズムの一つとして、熱応力により発生した層間絶縁膜内のクラックに溶融アルミ電極が浸透することで、ゲート―ソース間がショートし破壊に至ることを見出した。そこで2021年度は、既存アルミ電極（融点933K）よりも融点が高く（1358K）かつ熱膨張係数が約2/3と小さい銅に着目し、銅を電極材として用いた際の応力低減効果を、電気－熱－応力連成解析TCADシミュレーションを駆使し解析した。その結果、プレーナゲート構造、トレンチゲート両構造とも、層間絶縁膜部の最大熱応力が、1.0 GPa⇒0.8 GPa(プレーナゲート構造）、1.5 GPa⇒1.2 GPa(トレンチゲート構造）とそれぞれ20％低減することを確認し、応力低減に効果的であることを見出した。
・また層間絶縁膜にかかる熱応力についてその成分を同じくTCADシミュレーションにより解析した結果、プレーナゲートならびにトレンチゲート構造それぞれで層間絶縁膜の場所により応力の成分が異なることが判明し、例えば、トレンチゲート構造の場合、最上部のくぼみ部では引っ張り応力が、また角部ではせん断応力成分が支配的であることが判明した。
・SiC MOSFET負荷短絡時のSiC/SiO2界面への影響を確認するため、負荷短絡試験前後での電気特性Vgs-Id特性の変化を実測した。その結果、程度に差はあるものの、試験後のId電流がより流れる現象（2倍以上の電流が流れるものもある）が確認できた。このことから負荷短絡試験での電気的負荷が、SiC MOSFETのSiC/SiO2界面に影響を及ぼしていることが確認できた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2020年度までの研究成果のまとめを早急に行ったことで、2021年度の研究課題を研究代表者、研究協力者間でうまく共有できたことが理由として挙げられる。また筑波大学大学院生の当該研究の成果が期待通りのものであったことも、もうひとつ理由として挙げられる。

Strategy for Future Research Activity

2021年度に明確になったSiC/SiO2界面特性への影響解析に2022年度は軸足を置いて研究に取り組みたい。具体的には、界面特性への詳細な影響がわかるような負荷短絡試験用テストピース（TEG）の作製とそれを用いた実験を、研究協力者と共同で実施する予定である。またTCADシミュレーション技術を駆使してSiC/SiO2界面に加わる、電界、熱、そして応力の詳細を計算し、電気特性に与える影響とそのメカニズムも解析する予定である。