【導讀】作為目前碳化硅MOSFET型號最豐富的國產(chǎn)廠商派恩杰，不僅在功率器件性能上達到國際一流廠商水平，在AC BTI可靠性上更是超越國際一流廠商。總裁黃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(xiàn)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)廠商派恩杰，不僅在功率器件性能上達到國際一流廠商水平，在AC BTI可靠性上更是超越國際一流廠商。總裁黃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(xiàn)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域，越來越需要高頻高功率耐高溫的功率器件，隨著時間發(fā)展，硅材料在功率器件領域已經(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。為了成功認證汽車級或工業(yè)級可靠性標準，必須了解和評估與傳統(tǒng)硅技術不同的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，（1）早期柵極氧化物擊穿；（2）閾值電壓不穩(wěn)定性。
第一個可靠性問題可通過智能篩選、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《TDDB試驗》證明派恩杰SiC MOSFET壽命遠超20年，通過《馬拉松試驗》證明在正常運行20年的時間內(nèi)派恩杰SiC MOSFET失效PPM為個位數(shù)。
第二個可靠性問題，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)的可靠性測試方法HTGB（High Temperature Gate Bias）即可測試，經(jīng)過驗證派恩杰SiC MOSFET的PBTI和NBTI可靠性達到國際一流廠商水平。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(wěn)定性問題。
如今SiC MOSFET已經(jīng)大量在電動汽車和光伏等領域使用，說明目前的SiC MOSFET可靠性已遠超十年前的水平，達到了車規(guī)級和工業(yè)級的可靠性水平。
物理機理
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)無關。
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入柵極氧化物。防止移動離子進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技術已經(jīng)非常成熟。檢測和消除的專有技術和經(jīng)驗可以直接應用于SiC MOSFET。
另一方面，本征閾值電壓不穩(wěn)定性與界面的物理性質(zhì)有關，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界面高兩個數(shù)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的點缺陷僅存在于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。不同的界面特性會導致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化的物理模型來理解，這樣可以更好地理解過程相關性，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℃，見圖1。
圖1. 測試原理
電路采用多顆隔離驅(qū)動IC驅(qū)動多顆功率器件，需要合理Layout驅(qū)動電路，采用較短的連接線等，避免由于尖峰對器件帶來的影響。在考慮以上因素后，驅(qū)動電阻設置稍大電阻值保證Vgs波形的尖峰較小，Vgs實測波形見圖2。
圖2. Vgs波形
試驗方法采用MSM (Measure-Stree-Measure) 測試方法，見圖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)過大量的實驗驗證Vth瞬態(tài)漂移值不會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。采用此方法進行測試，實現(xiàn)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(guī)格等級平面柵SiC MOSFET，器件6#為I公司同規(guī)格等級溝槽柵SiC MOSFET。試驗結果Vth永久漂移值對比圖見圖5， Rdson變化率對比圖見圖6，實線圓點表示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。可以看出派恩杰器件Vth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關次數(shù)變大，沒有明顯的增長，C公司器件與I公司器件Vth永久漂移值隨開關次數(shù)符合冪律關系。C公司器件Vth永久漂移值外推至20年可能會達到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%。可以看出派恩杰器件1#~4#的Rdson變化率均較小，且不隨時間推移變化，性能穩(wěn)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不隨開關次數(shù)變化，C公司器件Rdson變化率外推至20年可能會達到10%左右，I公司器件Rdson變化率外推至20年可能會超過100%左右。
考慮到功率器件的實際應用工況會更加復雜，可靠性問題可能會出現(xiàn)更為惡劣的情況，功率器件在實際工況的參數(shù)漂移可能會更大。
應用影響
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，重則導致轉(zhuǎn)換器炸機。器件性能的漂移會降低器件本身的使用壽命，甚至可能會導致一些災難性的后果。特別是在功率芯片并聯(lián)領域，比如模塊，芯片的參數(shù)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。
結論
作為一種更接近實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)于國際一流廠商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。
參考文獻
（文章來源：派恩杰半導體）
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