如何測(cè)試SiC MOSFET柵氧可靠性

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，碳化硅（SiC）金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）因其優(yōu)異的性能，如高開關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻和高工作溫度，逐漸成為高頻、高效功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的理想選擇。然而，SiC MOSFET的柵氧可靠性問題一直是制約其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。柵氧層的可靠性直接影響到器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和使用壽命，因此，如何有效驗(yàn)證SiC MOSFET柵氧可靠性成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文將詳細(xì)介紹一種常用的柵氧可靠性驗(yàn)證方法——經(jīng)時(shí)介電擊穿（TDDB）測(cè)試，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和壽命預(yù)測(cè)模型，評(píng)估SiC MOSFET柵氧層的可靠性。

TDDB失效機(jī)理

經(jīng)時(shí)介電擊穿（TDDB）是一種用于評(píng)估柵氧層可靠性的重要測(cè)試方法。其基本原理是通過在柵氧層上施加恒定的電壓應(yīng)力，觀察柵氧層在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力作用下的擊穿行為。TDDB失效機(jī)理主要包括以下幾個(gè)步驟：

1.缺陷生成：在電場(chǎng)應(yīng)力的作用下，柵氧層中的缺陷逐漸生成。這些缺陷可能是由于制造過程中的雜質(zhì)、界面態(tài)或晶格不匹配引起的。

2.電荷捕獲：電場(chǎng)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電荷在柵氧層中捕獲，形成局部高電場(chǎng)區(qū)域，進(jìn)一步加速缺陷的生成。

3.導(dǎo)電通道形成：隨著缺陷的積累，柵氧層中會(huì)形成導(dǎo)電通道，導(dǎo)致局部電流密度增加。

4.擊穿發(fā)生：當(dāng)導(dǎo)電通道的密度達(dá)到一定程度時(shí)，柵氧層會(huì)發(fā)生擊穿，導(dǎo)致器件失效。

圖一 SiO2體內(nèi)形成滲流路徑簡(jiǎn)化二維模型

柵氧內(nèi)部產(chǎn)生缺陷的物理機(jī)理并沒有一個(gè)準(zhǔn)確的結(jié)論，廣泛認(rèn)同的模型有基于電場(chǎng)的熱化學(xué) E 模型、基于電流的陽極空穴注入1/E模型、基于缺陷自身位置與能量的幸運(yùn)缺陷模型以及不涉及真實(shí)物理機(jī)理但有助于早期失效篩選的局部柵氧變薄模型，下表列出了不同模型的特點(diǎn)及其壽命推算公式。

TDDB實(shí)驗(yàn)流程

了解TDDB的失效機(jī)理后，我們可以知道器件的柵氧可靠性測(cè)試是可以通過改變施加在器件上的應(yīng)力加速的，加速因子為柵極電壓VG與環(huán)境溫度Ta，圖2是TDDB測(cè)試的實(shí)驗(yàn)流程，旨在確定擊穿電壓并在不同溫度和電壓條件下評(píng)估柵氧可靠性。

圖2TDDB實(shí)驗(yàn)流程

（1）器件初篩：每組實(shí)驗(yàn)選用20顆SiC MOSFET器件，初篩選取電學(xué)特性符合規(guī)范的器件，以獲取更加準(zhǔn)確的失效分布；

（2）TZDB測(cè)試：確定器件的擊穿電壓（VBD），為TDDB測(cè)試提供參考電壓，如果知道器件的柵氧層厚度，可以計(jì)算器件失效時(shí)的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)；

（3）設(shè)置TDDB加速應(yīng)力：在升溫完成后施加?xùn)艠O電壓應(yīng)力，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每顆器件的柵極泄漏電流IGSS，根據(jù)不同的測(cè)試溫度和柵極應(yīng)力可以將器件分為不同的測(cè)試組；

（4）器件失效判據(jù)：TDDB測(cè)試?yán)匣逍枰谄骷臇艠O串聯(lián)一顆保險(xiǎn)絲，其作用是限制器件的柵極的電流，一旦器件出現(xiàn)失效，保險(xiǎn)絲可以及時(shí)熔斷，電流歸零，記錄此時(shí)的總應(yīng)力時(shí)間，即為該器件的失效時(shí)間；

（5）實(shí)驗(yàn)停止判據(jù)：一般情況下，TDDB實(shí)驗(yàn)為完全壽命實(shí)驗(yàn)，即需要所有器件出現(xiàn)失效；為了縮短TDDB實(shí)驗(yàn)時(shí)間，也可以采用80%器件失效作為實(shí)驗(yàn)結(jié)束判據(jù)。

以上為TDDB實(shí)驗(yàn)的流程，通過控制加速因子，可以得出器件在不同溫度、不同應(yīng)力下的失效時(shí)間，而器件柵氧失效的數(shù)據(jù)處理常常使用威布爾分布（Weibull distribution）進(jìn)行分析，在實(shí)驗(yàn)中可以使用以下公式計(jì)算第i個(gè)器件在n個(gè)樣本中的累計(jì)失效率F(i)：

同時(shí)，累計(jì)失效率與失效時(shí)間也滿足以下關(guān)系：

因此只需要計(jì)算出ln(-ln(1-F))的值和ln(t)的值，通過線性回歸獲得的斜率與截距，經(jīng)過計(jì)算后就可以得到形狀參數(shù)β及本征壽命t63.2，同時(shí)可以獲得柵氧壽命的威布爾分布圖：

圖3柵氧失效威布爾分布圖[4]

從圖中可以看到對(duì)于不同的測(cè)試條件，器件的失效時(shí)間是不同的，這對(duì)應(yīng)了不同的應(yīng)力下的失效分布，四條曲線的形狀參數(shù)β存在區(qū)別，一般來說，隨著應(yīng)力的減小，β也會(huì)提高，測(cè)試獲得的壽命也約接近真實(shí)值。同時(shí)，也可以注意到每組器件都會(huì)有幾個(gè)點(diǎn)與擬合曲線的距離較遠(yuǎn)，這說明器件出現(xiàn)了早期失效，這些器件的預(yù)估壽命也會(huì)遠(yuǎn)小于正常壽命，對(duì)應(yīng)了浴盆曲線的早期高失效率階段。

圖4浴盆曲線風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)

E模型壽命預(yù)測(cè)

通過TDDB實(shí)驗(yàn)獲取器件的失效分布后，結(jié)合器件柵氧失效的機(jī)理，也就是之前提到的E模型、1/E模型等，我們可以通過這些模型合理地預(yù)測(cè)SiC MOSFET器件的柵氧可靠性。

這里以E模型為例進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，E模型的器件本征失效壽命tBD滿足：

其中Eox為器件的柵氧電場(chǎng)強(qiáng)度，從公式可知，器件的本征壽命的對(duì)數(shù)與柵氧電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)線性關(guān)系，因此可以通過多個(gè)電壓點(diǎn)的本征壽命擬合，外推正常工作電壓條件下的失效率63.2%的本征壽命，同時(shí)也可以計(jì)算1ppm、10ppm以及100ppm失效率下的器件本征壽命，這里也為大家解答一個(gè)疑問，為什么工業(yè)上常常使用E模型進(jìn)行壽命外推？

我們來看圖5，這是使用E模型、1/E模型以及冪律模型進(jìn)行壽命外推獲得的曲線，可以看到，E模型的推算壽命是最為保守的，盡管E模型主要是作用于高電場(chǎng)強(qiáng)度下的模型，在低壓下，1/E模型和冪律模型擬合度更高，但獲得的壽命也更加高，因此為了保證器件柵氧長(zhǎng)期使用的可靠性，E模型成為了工業(yè)上柵氧壽命外推的首選公式。

圖5 不同模型壽命外推的擬合曲線[5]

小結(jié)：通過TDDB測(cè)試和壽命預(yù)測(cè)模型，我們可以有效評(píng)估SiC MOSFET柵氧的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，柵氧層的擊穿時(shí)間與電場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)，且在不同應(yīng)力條件下表現(xiàn)出不同的失效分布特性。基于E模型和1/E模型的壽命預(yù)測(cè)，可以為SiC MOSFET的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供重要的可靠性參考。

然而，需要注意的是，TDDB測(cè)試僅能模擬柵氧層在恒定應(yīng)力下的失效行為，實(shí)際應(yīng)用中，器件可能會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜的動(dòng)態(tài)應(yīng)力條件。因此，未來的研究可以進(jìn)一步探索動(dòng)態(tài)應(yīng)力下的柵氧可靠性評(píng)估方法，以更全面地反映SiC MOSFET在實(shí)際工作環(huán)境中的可靠性表現(xiàn)。

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