SiC 器件專有的可靠性保證途徑及其重要性

SiC 器件專有的可靠性保證途徑及其重要性

作者：英飛凌科技 SiC 副總裁Peter Friedrichs 博士

近幾十年來(lái)，碳化硅 (SiC) 半導(dǎo)體器件的應(yīng)用在逐步增長(zhǎng)，特別是在功率電子領(lǐng)域，這些器件能夠提供更高的效率、更高的電壓和更小的外形尺寸。早期的 SiC 器件故障率較高，這影響到它們?cè)谑袌?chǎng)中的采用，很明顯，這些故障率是由于與硅器件相比，SiC 功率器件的材料特性和工作模式存在重大差異。

作為一家開(kāi)發(fā)SiC技術(shù)的領(lǐng)先廠商，英飛凌認(rèn)識(shí)到需要更新基于硅器件模型而制定的現(xiàn)有可靠性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，以保證碳化硅器件達(dá)到足夠高可靠性水平。英飛凌的方法側(cè)重于碳化硅可靠性的三個(gè)特定領(lǐng)域。

柵極氧化層(GOX)穩(wěn)定性

SiC MOSFET 的外在缺陷密度比相應(yīng)Si 產(chǎn)品大得多，導(dǎo)致故障概率可能比要求高 4 個(gè)數(shù)量級(jí)。GOX 中的外在缺陷會(huì)導(dǎo)致局部變薄效應(yīng)，對(duì)于給定的柵極偏壓，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)更高的電場(chǎng)和更短的擊穿時(shí)間。

圖 1：柵極氧化層中的外在缺陷導(dǎo)致局部變薄效應(yīng)。

英飛凌在測(cè)試過(guò)程中使用創(chuàng)新的篩選技術(shù)，能夠從發(fā)運(yùn)給客戶的眾多產(chǎn)品中識(shí)別和消除潛在的缺陷器件。高柵極電壓應(yīng)力脈沖能夠識(shí)別具有關(guān)鍵外在缺陷的器件，同時(shí)確保沒(méi)有關(guān)鍵外在缺陷的其他器件能夠繼續(xù)使用。

偏壓溫度不穩(wěn)定性也會(huì)影響 GOX 的可靠性。由于施加到氧化物電場(chǎng)引起的漂移效應(yīng)，導(dǎo)致閾值電壓和導(dǎo)通電阻變化，通常會(huì)變到更高值，而導(dǎo)通電阻的增大會(huì)導(dǎo)致器件溫度升高以及潛在的熱失控。

除了這些眾所周知的 SiC 靜態(tài)偏壓溫度不穩(wěn)定性之外，第二種機(jī)制也可能導(dǎo)致漂移，即由器件開(kāi)關(guān)所導(dǎo)致。這種額外的閾值漂移量受開(kāi)關(guān)頻率和導(dǎo)通偏壓影響，可以通過(guò)確保器件保持在其安全工作區(qū)域內(nèi)來(lái)進(jìn)行控制，如本應(yīng)用筆記 AN2018-19 中所述。

本體二極管性能

由于襯底材料中的缺陷，MOSFET 本體二極管可能會(huì)發(fā)生雙極退化，從而導(dǎo)致漂移區(qū)中堆垛層錯(cuò)（stacking faults）的增加。這些堆垛層錯(cuò)減小了芯片的有效面積，使 RDS(ON) 隨時(shí)間漂移，并增大本體二極管的 VSD。由于堆垛層錯(cuò)在到達(dá)芯片表面時(shí)停止增加，因此這種效應(yīng)會(huì)達(dá)到飽和，達(dá)到飽和的時(shí)間由通過(guò) PN 結(jié)的電流和結(jié)溫決定。然而，MOSFET 的擊穿電壓和開(kāi)關(guān)特性則不受這種退化影響，因此，只要飽和后的 RDS(ON) 或 VDS 值仍可以保持在數(shù)據(jù)表允許范圍內(nèi)，那么就不會(huì)對(duì)其運(yùn)行產(chǎn)生長(zhǎng)期的負(fù)面影響。

英飛凌采用兩種專用措施來(lái)消除雙極退化導(dǎo)致的違反數(shù)據(jù)表規(guī)范的風(fēng)險(xiǎn)。首先，優(yōu)化的芯片生產(chǎn)工藝抑制了堆垛層錯(cuò)的形成。其次，英飛凌如上所述的篩選工藝能夠消除任何具有高度缺陷的器件。

宇宙射線

高能宇宙射線的連續(xù)照射會(huì)破壞 SiC 器件的電場(chǎng)分布，導(dǎo)致器件內(nèi)發(fā)生雪崩事件，使其短路，甚至使其損壞：?jiǎn)未问录龤?span> (SEB)。這種故障率隨著宇宙射線入射時(shí)刻的電場(chǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)，并且實(shí)驗(yàn)表明，如果器件施加的電壓是按照實(shí)際雪崩擊穿電壓歸一化考慮，宇宙射線的故障率基本類似。

可以通過(guò)增加厚度和降低漂移層或基底層的摻雜來(lái)提高單次事件燒毀的穩(wěn)健性，從而提供更高的雪崩擊穿電壓，但代價(jià)是具有更高的導(dǎo)通損耗。

宇宙射線輻射故障率隨海拔高度呈指數(shù)增長(zhǎng)，因此需要針對(duì)具體應(yīng)用細(xì)節(jié)進(jìn)行考慮。例如隨時(shí)間推移所施加的電壓和應(yīng)用所處的海拔高度，以及所需的使用壽命等因素。盡管數(shù)據(jù)表無(wú)法提供明確的宇宙射線故障率，但英飛凌的全球應(yīng)用工程師網(wǎng)絡(luò)可以幫助客戶根據(jù)英飛凌測(cè)試數(shù)據(jù)、任務(wù)概況和應(yīng)用詳細(xì)信息計(jì)算總體故障率。

產(chǎn)品發(fā)布流程和穩(wěn)健性驗(yàn)證方法

基于 25 年SiC 功率器件的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)，英飛凌制定了自己的專有質(zhì)量保證計(jì)劃。此外，通過(guò)積極參與JEDEC 等各種標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，并在其中擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)角色，英飛凌確保這些自身的專業(yè)知識(shí)能夠使更廣泛的市場(chǎng)受益。

英飛凌的途徑可涵蓋整個(gè)產(chǎn)品“浴缸式（bathtub）”曲線，參見(jiàn)圖 1。密集篩選能夠去除所有潛在的高缺陷水平器件，并且所有英飛凌產(chǎn)品都會(huì)定期根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，這些標(biāo)準(zhǔn)包括HTRB、H3TRB 和 HTGS等。所有標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試至少一次要進(jìn)行3000小時(shí)，英飛凌的技術(shù)所經(jīng)歷的測(cè)試遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而能夠嚴(yán)格探索產(chǎn)品的壽命終止界限。

圖 2：英飛凌的途徑涵蓋了整個(gè)產(chǎn)品的“浴缸”曲線。

這種針對(duì)產(chǎn)品發(fā)布和穩(wěn)健性驗(yàn)證的全面方法能夠確保所有 CoolSiC? MOSFET都具有極高可靠性，并且在上述任何測(cè)試中都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的 EoL 機(jī)制。

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