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，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，即由器件開關(guān)所導(dǎo)致。這種額外的閾值漂移量受開關(guān)頻率和導(dǎo)通偏壓影響，可以通過確保器件保持在其安全工作區(qū)域內(nèi)來進(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 PN 結(jié)的電流和結(jié)溫決定。然而，MOSFET 的擊穿電壓和開關(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。

可以通過增加厚度和降低漂移層或基底層的摻雜來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)試中都沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的 EoL 機(jī)制。

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