SiC MOSFET AC BTI 可靠性研究

作为目前碳化硅MOSFET型号最丰富的国产厂商派恩杰，不仅在功率器件性能上达到国际一流厂商水平，在AC BTI可靠性上更是超越国际一流厂商。总裁黄兴博士用高性能和高可靠性的产品证明派恩杰是国产碳化硅功率器件的佼佼者，展现了超高的碳化硅设计能力和工艺水平。

背景

在功率器件半导体领域，越来越需要高频高功率耐高温的功率器件，随着时间发展，硅材料在功率器件领域已经达到了材料性能的极限，碳化硅凭借其材料的优越特性开始大放异彩，然而新材料带来的可靠性问题是急需解决的。其中AC BTI（Bias Temperature Instabilities）即交流高温偏置不稳定性是碳化硅新材料带来的一大问题。

碳化硅的生产制造具有很多挑战，比如碳化硅晶圆表面更粗糙，直径更小，硬度接近金刚石，透明度更高；比如需要开发新的制造工艺，高温掺杂激活退火、欧姆接触形成和新的界面钝化方案等。为了成功认证汽车级或工业级可靠性标准，必须了解和评估与传统硅技术不同的SiC MOSFET的新特性，并且解决此类可靠性问题。SiC 特有的挑战在某种程度上与栅极氧化物可靠性有关，（1）早期栅极氧化物击穿；（2）阈值电压不稳定性。

第一个可靠性问题可通过智能筛选、TDDB（Time-Dependent Dielectric Breakdown）试验和马拉松试验，智能筛选措施可以将SiC MOSFET降低至与Si MOSFET相同等级的低故障率，此前已通过《TDDB试验》证明派恩杰SiC MOSFET寿命远超20年，通过《马拉松试验》证明在正常运行20年的时间内派恩杰SiC MOSFET失效PPM为个位数。

第二个可靠性问题，阈值电压不稳定性，分为PBTI、NBTI和AC BTI。直流的阈值电压不稳定性即PBTI和NBTI使用传统的可靠性测试方法HTGB（High Temperature Gate Bias）即可测试，经过验证派恩杰SiC MOSFET的PBTI和NBTI可靠性达到国际一流厂商水平。而AC BTI由于业界尚未有明确的测试方法，是一项较为前沿的研究。本文讲述AC BTI测试下的阈值电压不稳定性问题。

如今SiC MOSFET已经大量在电动汽车和光伏等领域使用，说明目前的SiC MOSFET可靠性已远超十年前的水平，达到了车规级和工业级的可靠性水平。

物理机理

阈值电压不稳定性分为非本征阈值电压不稳定性和本征阈值电压不稳定性，通常与宏观缺陷或杂质无关。

非本征阈值电压不稳定性是由于离子污染物（例如钠或钾）可能在器件制造期间或在正常器件操作期间从外部进入栅极氧化物。防止移动离子进入栅氧化层或在器件加工过程中清除它们的程序对于Si MOSFET技术已经非常成熟。检测和消除的专有技术和经验可以直接应用于SiC MOSFET。

另一方面，本征阈值电压不稳定性与界面的物理性质有关，即界面态和边界陷阱的密度以及它们与半导体衬底交换电荷载流子的能力。尽管SiC是唯一拥有高质量原生氧化物的宽带隙半导体，但SiC/SiO2界面的缺陷密度比Si/SiO2界面高两个数量级左右。

这不仅是由于更宽的带隙和更窄的带隙对电介质的偏移，而且还因为空位和碳相关的点缺陷仅存在于SiC。为了钝化这些新的缺陷类型，必须开发替代的氧化后钝化方案。不同的界面特性会导致SiC MOSFET的传输特性出现新的特征。大多数这些新特性都可以通过简化的物理模型来理解，这样可以更好地理解过程相关性，并有助于正确设置和评估寿命测试的结果。

试验方法

AC BTI测试方法，功率器件DUT Vgs=-5/20V，ƒ=10k~1MHz，DS短接，DUT加热至175℃，见图1。

图1. 测试原理

电路采用多颗隔离驱动IC驱动多颗功率器件，需要合理Layout驱动电路，采用较短的连接线等，避免由于尖峰对器件带来的影响。在考虑以上因素后，驱动电阻设置稍大电阻值保证Vgs波形的尖峰较小，Vgs实测波形见图2。

图2. Vgs波形

试验方法采用MSM (Measure-Stree-Measure) 测试方法，见图3。其中Vstress time=1~200ks。

图3. MSM测试方法

由于碳化硅与二氧化硅界面缺陷密度更高，碳化硅MOSFET的Vth存在更大的瞬态漂移值，经过大量的实验验证Vth瞬态漂移值不会对电路造成太大的影响，因此需要准确测量到Vth的永久漂移值。

使用JEDEC标准JEP184中的Vth滞后方法测试，见图4。其中Vgs=20V，-Vgs=-20V，t_precon=100ms，t_float=10ms，t_meas=2.5ms。Vth值以Vth_Down为准，因为采用了预施加压力后，Vth的瞬态漂移值已消除。采用此方法进行测试，实现了可重复快速准确测试Vth值，与初始值比较可得到Vth的永久漂移值。

图4. 滞后Vth测量方法

试验结果

试验条件：Vgs=-5/20V，DS Short，ƒ=100kHz，占空比δ=50%，T=175℃；器件1#~4#为派恩杰公司1200V80mΩ SiC MOSFET-P3M12080K3，器件5#为C公司同规格等级平面栅SiC MOSFET，器件6#为I公司同规格等级沟槽栅SiC MOSFET。试验结果Vth永久漂移值对比图见图5， Rdson变化率对比图见图6，实线圆点表示1000h数据，虚线表示外推至20年变化值。

图5. AC BTI VTH永久漂移值对比

1000h的AC BTI试验Vth永久漂移值结果：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永久漂移值为0.1~0.3V，I公司器件6#的Vth永久漂移值为0.2~1.6V。可以看出派恩杰器件Vth永久漂移值均较小且一致性较好，优于平面栅的C公司器件。沟槽栅的I公司器件Vth永久漂移值最大，得出结论沟槽栅的SiC MOSFET功率器件Vth永久漂移值大于平面栅的SiC MOSFET。

派恩杰器件Vth永久漂移值几乎不随开关次数变大，没有明显的增长，C公司器件与I公司器件Vth永久漂移值随开关次数符合幂律关系。C公司器件Vth永久漂移值外推至20年可能会达到0.6V左右。I公司器件Vth永久漂移值外推至20年可能会达到4V左右。

图6. AC BTI Rdson变化率对比

1000h的AC BTI试验Rdson变化率结果：派恩杰器件1#~4#的Rdson变化率均小于1%，C公司器件的Rdson变化率为0.7%~4.6%，I公司器件的Rdson变化率为2.6%~40%。可以看出派恩杰器件1#~4#的Rdson变化率均较小，且不随时间推移变化，性能稳定，几乎达到硅MOSFET可靠性水平，明显优于C公司与I公司器件可靠性水平。

派恩杰器件Rdson不随开关次数变化，C公司器件Rdson变化率外推至20年可能会达到10%左右，I公司器件Rdson变化率外推至20年可能会超过100%左右。

考虑到功率器件的实际应用工况会更加复杂，可靠性问题可能会出现更为恶劣的情况，功率器件在实际工况的参数漂移可能会更大。

应用影响

若功率器件的性能不稳定发生漂移，轻则降低转换器效率，重则导致转换器炸机。器件性能的漂移会降低器件本身的使用寿命，甚至可能会导致一些灾难性的后果。特别是在功率芯片并联领域，比如模块，芯片的参数发生漂移，可能导致并联不均流，模块更容易损坏或者寿命更短。从上述可靠性试验结果来看，派恩杰的SiC MOSFET性能是最稳定的，最适合用于并联的。

结论

作为一种更接近实际应用的可靠性测试方法，AC BTI能够更加准确的评估SiC MOSFET芯片的可靠性，是SiC MOSFET必不可少的可靠性测试项目之一。在同等试验条件下，平面栅的SiC MOSFET的AC BTI可靠性优于沟槽栅的可靠性，派恩杰SiC MOSFET的AC BTI可靠性优于国际一流厂商C公司和I公司，派恩杰的SiC MOSFET功率器件设计和工艺能力优于国际一流厂商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稳定的碳化硅功率器件之一。



关于派恩杰

第三代宽禁带半导体材料前沿技术探讨交流平台，帮助工程师了解SiC/GaN全球技术发展趋势。所有内容都是SiC/GaN功率器件供应商派恩杰半导体创始人黄兴博士和派恩杰工程师原创。

黄兴博士

派恩杰 总裁 &技术总监

美国北卡州立大学博士，师承Dr. B. Jayant Baliga（IEEE终身会员，美国科学院院士，IGBT发明者，奥巴马授予国家技术创新奖章）与Dr. Alex Q. Huang（IEEE Fellow, 发射极关断晶闸管（ETO）的发明者）。10余年碳化硅与氮化镓功率器件经验，在世界顶尖碳化硅实验室参与美国自然科学基金委FREEDM项目、美国能源部Power America项目，曾任职于Qorvo Inc.、联合碳化硅。2018年成立派恩杰半导体，立志于帮助中国建立成熟的功率器件产业链。