【導讀】作為目前碳化硅MOSFET型號最豐富的國產(chǎn)廠(chǎng)商派恩杰，不僅在功率器件性能上達到國際一流廠(chǎng)商水平，在A(yíng)C BTI可靠性上更是超越國際一流廠(chǎng)商?？偛命S興博士用高性能和高可靠性的產(chǎn)品證明派恩杰是國產(chǎn)碳化硅功率器件的佼佼者，展現了超高的碳化硅設計能力和工藝水平。

作為目前碳化硅MOSFET型號最豐富的國產(chǎn)廠(chǎng)商派恩杰，不僅在功率器件性能上達到國際一流廠(chǎng)商水平，在A(yíng)C BTI可靠性上更是超越國際一流廠(chǎng)商?？偛命S興博士用高性能和高可靠性的產(chǎn)品證明派恩杰是國產(chǎn)碳化硅功率器件的佼佼者，展現了超高的碳化硅設計能力和工藝水平。

背景

在功率器件半導體領(lǐng)域，越來(lái)越需要高頻高功率耐高溫的功率器件，隨著(zhù)時(shí)間發(fā)展，硅材料在功率器件領(lǐng)域已經(jīng)達到了材料性能的極限，碳化硅憑借其材料的優(yōu)越特性開(kāi)始大放異彩，然而新材料帶來(lái)的可靠性問(wèn)題是急需解決的。其中AC BTI（Bias Temperature Instabilities）即交流高溫偏置不穩定性是碳化硅新材料帶來(lái)的一大問(wèn)題。

碳化硅的生產(chǎn)制造具有很多挑戰，比如碳化硅晶圓表面更粗糙，直徑更小，硬度接近金剛石，透明度更高；比如需要開(kāi)發(fā)新的制造工藝，高溫摻雜激活退火、歐姆接觸形成和新的界面鈍化方案等。為了成功認證汽車(chē)級或工業(yè)級可靠性標準，必須了解和評估與傳統硅技術(shù)不同的SiC MOSFET的新特性，并且解決此類(lèi)可靠性問(wèn)題。SiC 特有的挑戰在某種程度上與柵極氧化物可靠性有關(guān)，（1）早期柵極氧化物擊穿；（2）閾值電壓不穩定性。

第一個(gè)可靠性問(wèn)題可通過(guò)智能篩選、TDDB（Time-Dependent Dielectric Breakdown）試驗和馬拉松試驗，智能篩選措施可以將SiC MOSFET降低至與Si MOSFET相同等級的低故障率，此前已通過(guò)《TDDB試驗》證明派恩杰SiC MOSFET壽命遠超20年，通過(guò)《馬拉松試驗》證明在正常運行20年的時(shí)間內派恩杰SiC MOSFET失效PPM為個(gè)位數。

第二個(gè)可靠性問(wèn)題，閾值電壓不穩定性，分為PBTI、NBTI和AC BTI。直流的閾值電壓不穩定性即PBTI和NBTI使用傳統的可靠性測試方法HTGB（High Temperature Gate Bias）即可測試，經(jīng)過(guò)驗證派恩杰SiC MOSFET的PBTI和NBTI可靠性達到國際一流廠(chǎng)商水平。而AC BTI由于業(yè)界尚未有明確的測試方法，是一項較為前沿的研究。本文講述AC BTI測試下的閾值電壓不穩定性問(wèn)題。

如今SiC MOSFET已經(jīng)大量在電動(dòng)汽車(chē)和光伏等領(lǐng)域使用，說(shuō)明目前的SiC MOSFET可靠性已遠超十年前的水平，達到了車(chē)規級和工業(yè)級的可靠性水平。

物理機理

閾值電壓不穩定性分為非本征閾值電壓不穩定性和本征閾值電壓不穩定性，通常與宏觀(guān)缺陷或雜質(zhì)無(wú)關(guān)。

非本征閾值電壓不穩定性是由于離子污染物（例如鈉或鉀）可能在器件制造期間或在正常器件操作期間從外部進(jìn)入柵極氧化物。防止移動(dòng)離子進(jìn)入柵氧化層或在器件加工過(guò)程中清除它們的程序對于Si MOSFET技術(shù)已經(jīng)非常成熟。檢測和消除的專(zhuān)有技術(shù)和經(jīng)驗可以直接應用于SiC MOSFET。

另一方面，本征閾值電壓不穩定性與界面的物理性質(zhì)有關(guān)，即界面態(tài)和邊界陷阱的密度以及它們與半導體襯底交換電荷載流子的能力。盡管SiC是唯一擁有高質(zhì)量原生氧化物的寬帶隙半導體，但SiC/SiO2界面的缺陷密度比Si/SiO2界面高兩個(gè)數量級左右。

這不僅是由于更寬的帶隙和更窄的帶隙對電介質(zhì)的偏移，而且還因為空位和碳相關(guān)的點(diǎn)缺陷僅存在于SiC。為了鈍化這些新的缺陷類(lèi)型，必須開(kāi)發(fā)替代的氧化后鈍化方案。不同的界面特性會(huì )導致SiC MOSFET的傳輸特性出現新的特征。大多數這些新特性都可以通過(guò)簡(jiǎn)化的物理模型來(lái)理解，這樣可以更好地理解過(guò)程相關(guān)性，并有助于正確設置和評估壽命測試的結果。

試驗方法

AC BTI測試方法，功率器件DUT Vgs=-5/20V，?=10k~1MHz，DS短接，DUT加熱至175℃，見(jiàn)圖1。

圖1. 測試原理

電路采用多顆隔離驅動(dòng)IC驅動(dòng)多顆功率器件，需要合理Layout驅動(dòng)電路，采用較短的連接線(xiàn)等，避免由于尖峰對器件帶來(lái)的影響。在考慮以上因素后，驅動(dòng)電阻設置稍大電阻值保證Vgs波形的尖峰較小，Vgs實(shí)測波形見(jiàn)圖2。

圖2. Vgs波形

試驗方法采用MSM (Measure-Stree-Measure) 測試方法，見(jiàn)圖3。其中Vstress time=1~200ks。

圖3. MSM測試方法

由于碳化硅與二氧化硅界面缺陷密度更高，碳化硅MOSFET的Vth存在更大的瞬態(tài)漂移值，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗驗證Vth瞬態(tài)漂移值不會(huì )對電路造成太大的影響，因此需要準確測量到Vth的永久漂移值。

使用JEDEC標準JEP184中的Vth滯后方法測試，見(jiàn)圖4。其中Vgs=20V，-Vgs=-20V，t_precon=100ms，t_float=10ms，t_meas=2.5ms。Vth值以Vth_Down為準，因為采用了預施加壓力后，Vth的瞬態(tài)漂移值已消除。采用此方法進(jìn)行測試，實(shí)現了可重復快速準確測試Vth值，與初始值比較可得到Vth的永久漂移值。

圖4. 滯后Vth測量方法

試驗結果

試驗條件：Vgs=-5/20V，DS Short，?=100kHz，占空比δ=50%，T=175℃；器件1#~4#為派恩杰公司1200V80mΩ SiC MOSFET-P3M12080K3，器件5#為C公司同規格等級平面柵SiC MOSFET，器件6#為I公司同規格等級溝槽柵SiC MOSFET。試驗結果Vth永久漂移值對比圖見(jiàn)圖5， Rdson變化率對比圖見(jiàn)圖6，實(shí)線(xiàn)圓點(diǎn)表示1000h數據，虛線(xiàn)表示外推至20年變化值。

圖5. AC BTI VTH永久漂移值對比

1000h的AC BTI試驗Vth永久漂移值結果：派恩杰器件1#~4#的Vth永久漂移值均小于0.1V，C公司器件5#的Vth永久漂移值為0.1~0.3V，I公司器件6#的Vth永久漂移值為0.2~1.6V?？梢钥闯雠啥鹘芷骷th永久漂移值均較小且一致性較好，優(yōu)于平面柵的C公司器件。溝槽柵的I公司器件Vth永久漂移值最大，得出結論溝槽柵的SiC MOSFET功率器件Vth永久漂移值大于平面柵的SiC MOSFET。

派恩杰器件Vth永久漂移值幾乎不隨開(kāi)關(guān)次數變大，沒(méi)有明顯的增長(cháng)，C公司器件與I公司器件Vth永久漂移值隨開(kāi)關(guān)次數符合冪律關(guān)系。C公司器件Vth永久漂移值外推至20年可能會(huì )達到0.6V左右。I公司器件Vth永久漂移值外推至20年可能會(huì )達到4V左右。

圖6. AC BTI Rdson變化率對比

1000h的AC BTI試驗Rdson變化率結果：派恩杰器件1#~4#的Rdson變化率均小于1%，C公司器件的Rdson變化率為0.7%~4.6%，I公司器件的Rdson變化率為2.6%~40%?？梢钥闯雠啥鹘芷骷?#~4#的Rdson變化率均較小，且不隨時(shí)間推移變化，性能穩定，幾乎達到硅MOSFET可靠性水平，明顯優(yōu)于C公司與I公司器件可靠性水平。

派恩杰器件Rdson不隨開(kāi)關(guān)次數變化，C公司器件Rdson變化率外推至20年可能會(huì )達到10%左右，I公司器件Rdson變化率外推至20年可能會(huì )超過(guò)100%左右。

考慮到功率器件的實(shí)際應用工況會(huì )更加復雜，可靠性問(wèn)題可能會(huì )出現更為惡劣的情況，功率器件在實(shí)際工況的參數漂移可能會(huì )更大。

應用影響

若功率器件的性能不穩定發(fā)生漂移，輕則降低轉換器效率，重則導致轉換器炸機。器件性能的漂移會(huì )降低器件本身的使用壽命，甚至可能會(huì )導致一些災難性的后果。特別是在功率芯片并聯(lián)領(lǐng)域，比如模塊，芯片的參數發(fā)生漂移，可能導致并聯(lián)不均流，模塊更容易損壞或者壽命更短。從上述可靠性試驗結果來(lái)看，派恩杰的SiC MOSFET性能是最穩定的，最適合用于并聯(lián)的。

結論

作為一種更接近實(shí)際應用的可靠性測試方法，AC BTI能夠更加準確的評估SiC MOSFET芯片的可靠性，是SiC MOSFET必不可少的可靠性測試項目之一。在同等試驗條件下，平面柵的SiC MOSFET的AC BTI可靠性?xún)?yōu)于溝槽柵的可靠性，派恩杰SiC MOSFET的AC BTI可靠性?xún)?yōu)于國際一流廠(chǎng)商C公司和I公司，派恩杰的SiC MOSFET功率器件設計和工藝能力優(yōu)于國際一流廠(chǎng)商C公司和I公司。派恩杰碳化硅MOSFET是全球碳化硅功率器件可靠性最高和性能最穩定的碳化硅功率器件之一。

參考文獻

（文章來(lái)源：派恩杰半導體）

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