作為目前碳化硅MOSFET型號(hào)最豐富的國(guó)產(chǎn)廠商派恩杰，不僅在功率器件性能上達(dá)到國(guó)際一流廠商水平，在AC BTI可靠性上更是超越國(guó)際一流廠商?？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(guó)產(chǎn)碳化硅功率器件的佼佼者，展現(xiàn)了超高的碳化硅設(shè)計(jì)能力和工藝水平。

背景

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

碳化硅的生產(chǎn)制造具有很多挑戰(zhàn)，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；比如需要開發(fā)新的制造工藝，高溫?fù)诫s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(rèn)證汽車級(jí)或工業(yè)級(jí)可靠性標(biāo)準(zhǔn)，必須了解和評(píng)估與傳統(tǒng)硅技術(shù)不同的SiC MOSFET的新特性，并且解決此類可靠性問題。SiC 特有的挑戰(zhàn)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(wěn)定性。

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

第二個(gè)可靠性問題，閾值電壓不穩(wěn)定性，分為PBTI、NBTI和AC BTI。直流的閾值電壓不穩(wěn)定性即PBTI和NBTI使用傳統(tǒng)的可靠性測(cè)試方法HTGB（High Temperature Gate Bias）即可測(cè)試，經(jīng)過驗(yàn)證派恩杰SiC MOSFET的PBTI和NBTI可靠性達(dá)到國(guó)際一流廠商水平。而AC BTI由于業(yè)界尚未有明確的測(cè)試方法，是一項(xiàng)較為前沿的研究。本文講述AC BTI測(cè)試下的閾值電壓不穩(wěn)定性問題。

如今SiC MOSFET已經(jīng)大量在電動(dòng)汽車和光伏等領(lǐng)域使用，說明目前的SiC MOSFET可靠性已遠(yuǎn)超十年前的水平，達(dá)到了車規(guī)級(jí)和工業(yè)級(jí)的可靠性水平。

物理機(jī)理

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

非本征閾值電壓不穩(wěn)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程中清除它們的程序?qū)τ赟i MOSFET技術(shù)已經(jīng)非常成熟。檢測(cè)和消除的專有技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)可以直接應(yīng)用于SiC MOSFET。

另一方面，本征閾值電壓不穩(wěn)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(dǎo)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(dǎo)體，但SiC/SiO2界面的缺陷密度比Si/SiO2界面高兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右。

這不僅是由于更寬的帶隙和更窄的帶隙對(duì)電介質(zhì)的偏移，而且還因?yàn)榭瘴缓吞枷嚓P(guān)的點(diǎn)缺陷僅存在于SiC。為了鈍化這些新的缺陷類型，必須開發(fā)替代的氧化后鈍化方案。不同的界面特性會(huì)導(dǎo)致SiC MOSFET的傳輸特性出現(xiàn)新的特征。大多數(shù)這些新特性都可以通過簡(jiǎn)化的物理模型來理解，這樣可以更好地理解過程相關(guān)性，并有助于正確設(shè)置和評(píng)估壽命測(cè)試的結(jié)果。

試驗(yàn)方法

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

圖1. 測(cè)試原理

電路采用多顆隔離驅(qū)動(dòng)IC驅(qū)動(dòng)多顆功率器件，需要合理Layout驅(qū)動(dòng)電路，采用較短的連接線等，避免由于尖峰對(duì)器件帶來的影響。在考慮以上因素后，驅(qū)動(dòng)電阻設(shè)置稍大電阻值保證Vgs波形的尖峰較小，Vgs實(shí)測(cè)波形見圖2。

圖2. Vgs波形

試驗(yàn)方法采用MSM (Measure-Stree-Measure) 測(cè)試方法，見圖3。其中Vstress time=1~200ks。

圖3. MSM測(cè)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)過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Vth瞬態(tài)漂移值不會(huì)對(duì)電路造成太大的影響，因此需要準(zhǔn)確測(cè)量到Vth的永久漂移值。

使用JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JEP184中的Vth滯后方法測(cè)試，見圖4。其中Vgs=20V，-Vgs=-20V，t_precon=100ms，t_float=10ms，t_meas=2.5ms。Vth值以Vth_Down為準(zhǔn)，因?yàn)椴捎昧祟A(yù)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(cè)試，實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)快速準(zhǔn)確測(cè)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(cè)量方法

試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)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(guī)格等級(jí)平面柵SiC MOSFET，器件6#為I公司同規(guī)格等級(jí)溝槽柵SiC MOSFET。試驗(yàn)結(jié)果Vth永久漂移值對(duì)比圖見圖5， Rdson變化率對(duì)比圖見圖6，實(shí)線圓點(diǎn)表示1000h數(shù)據(jù)，虛線表示外推至20年變化值。

圖5. AC BTI VTH永久漂移值對(duì)比

1000h的AC BTI試驗(yàn)Vth永久漂移值結(jié)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(jié)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關(guān)次數(shù)變大，沒有明顯的增長(zhǎng)，C公司器件與I公司器件Vth永久漂移值隨開關(guān)次數(shù)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(dá)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(dá)到4V左右。

圖6. AC BTI Rdson變化率對(duì)比

1000h的AC BTI試驗(yàn)Rdson變化率結(jié)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%。可以看出派恩杰器件1#~4#的Rdson變化率均較小，且不隨時(shí)間推移變化，性能穩(wěn)定，幾乎達(dá)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不隨開關(guān)次數(shù)變化，C公司器件Rdson變化率外推至20年可能會(huì)達(dá)到10%左右，I公司器件Rdson變化率外推至20年可能會(huì)超過100%左右。

考慮到功率器件的實(shí)際應(yīng)用工況會(huì)更加復(fù)雜，可靠性問題可能會(huì)出現(xiàn)更為惡劣的情況，功率器件在實(shí)際工況的參數(shù)漂移可能會(huì)更大。

應(yīng)用影響

若功率器件的性能不穩(wěn)定發(fā)生漂移，輕則降低轉(zhuǎn)換器效率，重則導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器炸機(jī)。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(dǎo)致一些災(zāi)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(shù)發(fā)生漂移，可能導(dǎo)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(yàn)結(jié)果來看，派恩杰的SiC MOSFET性能是最穩(wěn)定的，最適合用于并聯(lián)的。

結(jié)論

作為一種更接近實(shí)際應(yīng)用的可靠性測(cè)試方法，AC BTI能夠更加準(zhǔn)確的評(píng)估SiC MOSFET芯片的可靠性，是SiC MOSFET必不可少的可靠性測(cè)試項(xiàng)目之一。在同等試驗(yàn)條件下，平面柵的SiC MOSFET的AC BTI可靠性優(yōu)于溝槽柵的可靠性，派恩杰SiC MOSFET的AC BTI可靠性優(yōu)于國(guó)際一流廠商C公司和I公司，派恩杰的SiC MOSFET功率器件設(shè)計(jì)和工藝能力優(yōu)于國(guó)際一流廠商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(wěn)定的碳化硅功率器件之一。

關(guān)于派恩杰

第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料前沿技術(shù)探討交流平臺(tái)，幫助工程師了解SiC/GaN全球技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。所有內(nèi)容都是SiC/GaN功率器件供應(yīng)商派恩杰半導(dǎo)體創(chuàng)始人黃興博士和派恩杰工程師原創(chuàng)。

黃興博士

派恩杰 總裁 技術(shù)總監(jiān)

美國(guó)北卡州立大學(xué)博士，師承Dr. B. Jayant Baliga（IEEE終身會(huì)員，美國(guó)科學(xué)院院士，IGBT發(fā)明者，奧巴馬授予國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)?wù)拢┡cDr. Alex Q. Huang（IEEE Fellow, 發(fā)射極關(guān)斷晶閘管（ETO）的發(fā)明者）。10余年碳化硅與氮化鎵功率器件經(jīng)驗(yàn)，在世界頂尖碳化硅實(shí)驗(yàn)室參與美國(guó)自然科學(xué)基金委FREEDM項(xiàng)目、美國(guó)能源部Power America項(xiàng)目，曾任職于Qorvo Inc.、聯(lián)合碳化硅。2018年成立派恩杰半導(dǎo)體，立志于幫助中國(guó)建立成熟的功率器件產(chǎn)業(yè)鏈。

派恩杰半導(dǎo)體

成立于2018年9月的第三代半導(dǎo)體功率器件設(shè)計(jì)和方案商，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)JC-70會(huì)議的主要成員之一，參與制定寬禁帶半導(dǎo)體功率器件國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)布了100余款650V/1200V/1700V SiC SBD、SiC MOSFET、GaN HEMT功率器件，其中SiC MOSFET芯片已大規(guī)模導(dǎo)入國(guó)產(chǎn)新能源整車廠和Tier 1，其余產(chǎn)品廣泛用于大數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算與區(qū)塊鏈、5G通信基站、儲(chǔ)能/充電樁、微型光伏、城際高速鐵路和城際軌道交通、家用電器以及特高壓、航空航天、工業(yè)特種電源、UPS、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。

文章來源：派恩杰半導(dǎo)體

審核編輯 黃宇