SiC功率器件中的失效機(jī)制分析

簡(jiǎn)介

SiC 功率 MOSFET 和肖特基二極管正在快速應(yīng)用于電力電子轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體 (PECS) 應(yīng)用，例如電動(dòng)汽車(chē)充電和牽引、儲(chǔ)能系統(tǒng)和工業(yè)電源。SiC 功率 MOSFET 已在電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器中得到廣泛應(yīng)用，并且在非車(chē)載充電器中也越來(lái)越受歡迎。與當(dāng)前逆變器中的 Si IGBT 解決方案相比，這些器件為純電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)了改善逆變器續(xù)航里程和/或降低成本的優(yōu)勢(shì)。服務(wù)器電源中的設(shè)備已大量出貨，牽引逆變器中的設(shè)備數(shù)量也在不斷增加。盡管 SiC MOSFET 至少?gòu)?1987 年就已經(jīng)存在，但在如此大批量和高可靠性市場(chǎng)的廣泛采用卻花了幾十年的時(shí)間。這是因?yàn)槠骷脑S多方面都需要進(jìn)行數(shù)量級(jí)的改進(jìn)，特別是柵極氧化物的質(zhì)量和可靠性。

挑戰(zhàn)在于，所有這些市場(chǎng)，尤其是交通運(yùn)輸市場(chǎng)，都期望系統(tǒng)級(jí)別具有極高的可靠性。應(yīng)用要求相當(dāng)高：大量 SiC 芯片和總 SiC 有效面積（數(shù)百至數(shù)千 mm2）、高結(jié)溫（通常為 175 °C 及以上）和低故障率（“早期”期間每年累計(jì) < 1 ppm）?！?，預(yù)計(jì)很快就會(huì)得到改善。）預(yù)計(jì)很快就會(huì)有所改善。）同時(shí)，與硅相比，SiC 的可靠性情況是獨(dú)一無(wú)二的：

- 一些 SiC 失效機(jī)制比 Si 更嚴(yán)重

- 至少一種失效機(jī)制是 SiC 所獨(dú)有的，并且在Si

- 對(duì) SiC 的要求在很多方面都高于對(duì) Si 的要求

接受這一挑戰(zhàn)意味著 SiC 器件制造商必須能夠通過(guò)提供徹底且有時(shí)新穎的表征，在“浴盆曲線(xiàn)”的所有階段展示出色的可靠性預(yù)測(cè)質(zhì)量、隨機(jī)故障率和磨損壽命。但這也意味著，與硅行業(yè)相比，由制造商和最終用戶(hù)組成的行業(yè)聯(lián)盟組織必須以極快的速度制定指南和標(biāo)準(zhǔn)。

在硅產(chǎn)業(yè)中，相對(duì)于技術(shù)的成熟度和廣泛采用程度，指導(dǎo)方針和標(biāo)準(zhǔn)的啟動(dòng)和制定需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

SiC 中的失效機(jī)制

在 SiC 器件中觀(guān)察到的一些失效機(jī)制與在 Si 器件中觀(guān)察到的類(lèi)似，例如單粒子燒毀（SEB，由于地球中子）和柵極氧化物磨損。SiC MOSFET 顯示偏置溫度不穩(wěn)定性 (BTI) 退化機(jī)制，具有與 Si MOSFET 類(lèi)似的加速因子和時(shí)間依賴(lài)性。然而，由于界面和近界面電荷陷阱的密度較高，SiC 器件中的 BTI 可能更加突出，因此需要更徹底地表征 BTI 響應(yīng)，包括表征閾值電壓 (VT) 的特殊技術(shù)。SiC MOSFET 很容易受到雙極退化（增加的導(dǎo)通電阻和可能的泄漏），這是由于在第三象限操作中發(fā)生的電子空穴復(fù)合的影響下基面位錯(cuò) (BPD) 轉(zhuǎn)化為堆垛層錯(cuò)。這種雙極退化機(jī)制是 SiC 所獨(dú)有的，需要新穎的可靠性表征。值得注意的是，觀(guān)察結(jié)果與雙極退化是一種早期故障率 (ELFR) 機(jī)制而不是內(nèi)在磨損一致，因?yàn)橹挥蓄A(yù)先存在 BPD 的設(shè)備才會(huì)經(jīng)歷雙極退化。通過(guò)表征這些機(jī)制，可以構(gòu)建完整的可靠性“浴缸曲線(xiàn)”，其中表示早期壽命故障率/“嬰兒死亡率”（雙極穩(wěn)定性）、使用壽命期間的恒定（隨機(jī)）故障率（SEB 和隨機(jī)潛在缺陷）產(chǎn)品生命周期的磨損（柵極氧化、VT 穩(wěn)定性和封裝）階段。本文中顯示的可靠性數(shù)據(jù)來(lái)自 Wolfspeed Gen3 SiC 平面 MOSFET，其顯著特征如圖 1 所示。這些可靠性考慮因素通常也適用于溝槽 MOSFET，盡管其中一些影響的存在和嚴(yán)重程度可能有所不同。

圖 1. Wolfspeed SiC 平面 MOSFET 原理圖平面圖、橫截面、顯著特征和代表性故障機(jī)制。

雙極穩(wěn)定性。基面位錯(cuò) (BPD) 處的復(fù)合增強(qiáng)堆垛層錯(cuò) (SF) 滑移對(duì) SiC MOSFET 中 4H-SiC 雙極器件的可靠運(yùn)行提出了基本的材料挑戰(zhàn)。這種情況的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致電阻增加和泄漏。然而，現(xiàn)代 4H-SiC 襯底生產(chǎn)實(shí)踐已導(dǎo)致基面位錯(cuò)密度大幅降低，當(dāng)與適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)篩選方法相結(jié)合時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)具有極低 BPD 密度的可靠器件，因此該機(jī)制的故障率較低。幾乎不關(guān)心兩極穩(wěn)定。雙極性穩(wěn)定性可以通過(guò)體二極管工作壽命(BDOL)應(yīng)力測(cè)試來(lái)驗(yàn)證，在該測(cè)試中，恒定電流施加于第三象限模式下的MOSFET。具有足夠的散熱和/或占空比，以將結(jié)溫保持在最大額定值內(nèi)。例如，Wolfspeed, Inc. 發(fā)布了額定值為 3.3 kV 和 10 kV 的中壓器件的 BDOL 結(jié)果，來(lái)自 3 個(gè)生產(chǎn)批次的每種類(lèi)型樣品超過(guò) 60 個(gè)器件，在 BDOL 應(yīng)力之前和之后零故障且參數(shù)變化可忽略不計(jì)（圖. 2)。這一結(jié)果成功地證明了生產(chǎn) MOSFET 的出色雙極穩(wěn)定性，這可能被認(rèn)為比低壓器件（例如 (650 – 1200) V）更嚴(yán)格，因?yàn)?SiC 外延層更厚，因此更有可能發(fā)生故障。存在基底面位錯(cuò)。

圖 2.（左）BDOL 應(yīng)力配置示意圖、MOSFET 有源單元橫截面以及導(dǎo)致 BPD 轉(zhuǎn)換為 SF 的電子-空穴復(fù)合電流指示（右）3.3 kV 和 10 kV Wolfspeed 資格測(cè)試的 BDOL 電流與時(shí)間的關(guān)系中壓生產(chǎn) SiC MOSFET。

值得注意的是，如果 SiC MOSFET 一開(kāi)始就沒(méi)有任何 BPD，那么 SF 就無(wú)法成核和生長(zhǎng)，并且不會(huì)發(fā)生雙極退化。因此，減少和篩選BPD的發(fā)生對(duì)于確保SiC MOSFET的第三象限雙極穩(wěn)定性非常重要。盡管進(jìn)行了數(shù)十年的研究，文獻(xiàn)證據(jù)尚未表明如何以良好的方式加速雙極穩(wěn)定性，以便構(gòu)建預(yù)測(cè)壽命模型，例如柵極氧化物磨損模型。幸運(yùn)的是，大多數(shù)或所有雙相穩(wěn)定性故障發(fā)生在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)（BDOL 壓力的幾小時(shí)到幾天，而不是幾個(gè)月和幾年）。因此，雙極穩(wěn)定性似乎最好采用早期故障率機(jī)制，而不是磨損機(jī)制。因此，為了確保采用第三象限操作的應(yīng)用具有良好的雙極穩(wěn)定性可靠性，制造商必須依靠低 BPD SiC 外延和充分的篩選，并通過(guò)測(cè)試大樣本量和大面積器件來(lái)證明這一點(diǎn)，幸運(yùn)的是，測(cè)試周期相對(duì)較短。BDOL 壓力時(shí)間。

閾值電壓穩(wěn)定性。柵極偏置會(huì)導(dǎo)致 SiC MOSFET 的 VT 穩(wěn)定性隨時(shí)間漂移，從而改變器件的導(dǎo)通狀態(tài)和/或阻斷特性。這種效應(yīng)通常稱(chēng)為正/負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性 (PBTI/NBTI)。BTI 可以發(fā)生在 Si 以及 SiC MOSFET 中，但這種效應(yīng)通常在 SiC MOSFET 中更為明顯，因?yàn)樗鼈冊(cè)谘趸锝缑嫣幖捌涓浇哂懈呙芏鹊南葳澹@些陷阱由氧化物電場(chǎng)填充、清空和/或創(chuàng)建。BTI會(huì)受到電場(chǎng)和溫度的加速，并隨時(shí)間呈現(xiàn)出弱冪律。Lichtenwalner 等人對(duì)生產(chǎn) SiC MOSFET 中 BTI 的示例性表征。顯示出約 0.12 的時(shí)間指數(shù)（圖 3），這與具有氮化氧化物的 Si 器件（如 SiC）的時(shí)間指數(shù)相似。這種相似性表明 SiC 和 Si 器件的物理機(jī)制是相同的，即氧化物電荷陷阱填充和排空。壽命外推表明，BTI 預(yù)計(jì)在數(shù)千小時(shí)內(nèi)僅漂移數(shù)百毫伏，但值得注意的是，與PECS應(yīng)用中此類(lèi)器件的典型開(kāi)關(guān)電壓相比，即使如此大的漂移也很小，因此預(yù)計(jì)不會(huì)明顯影響系統(tǒng)性能。

圖 3. 代表性 Wolfspeed Gen3 1200 V SiC MOSFET 的 BTI。（左）在長(zhǎng)達(dá) 100 小時(shí)的累積恒定柵極偏壓應(yīng)力的應(yīng)力時(shí)間內(nèi)，漏極電流與柵極電壓曲線(xiàn)隨恒定柵極偏壓而漂移，并具有中間讀出點(diǎn)。PBTI 和 NBTI 的外推預(yù)測(cè)，在 150 °C 下加速恒定柵極偏置應(yīng)力數(shù)千小時(shí)時(shí)，漂移僅為數(shù)百毫伏。

值得注意的是，在柵極偏置應(yīng)力下觀(guān)察到的VT漂移可以由長(zhǎng)期VT漂移、瞬態(tài)VT變化和VT滯后或滯后變化組成。為了證明這種效應(yīng)，圖 4 顯示了與中斷偏壓相比，恒定柵極偏壓下 VT 如何隨時(shí)間漂移，其中定期消除應(yīng)力，并且允許器件在恢復(fù)應(yīng)力之前松弛。這些行為之間的差異表明可恢復(fù)瞬態(tài)效應(yīng)占主導(dǎo)地位，并且由界面退化引起的 VT 漂移相對(duì)較小。這說(shuō)明在恒定柵極偏壓應(yīng)力下觀(guān)察到的 VT 漂移有多少可能并不代表器件永久性退化，而是反映了臨時(shí)參數(shù)漂移，這在典型開(kāi)關(guān)應(yīng)用中可能不太明顯。

圖 4. Wolfspeed Gen3 900 V SiC MOSFET 的 VT 與柵極偏置應(yīng)力時(shí)間關(guān)系，顯示了 150 °C 下連續(xù) 19 V 應(yīng)力下的 PBTI，與定期消除應(yīng)力時(shí)的 VT 響應(yīng)進(jìn)行了比較。這種差異表明可恢復(fù)瞬態(tài)效應(yīng)占主導(dǎo)地位。

柵極氧化層磨損。SiC MOSFET 柵極氧化物磨損通過(guò)時(shí)間相關(guān)介電擊穿 (TDDB) 測(cè)試來(lái)表征。Wolfspeed Gen3 1200 V MOSFET 上的 TDDB 數(shù)據(jù)通過(guò)具有高 Weibull beta 值的單個(gè) Weibull 統(tǒng)計(jì)分布進(jìn)行了很好的建模，這表明即使在高度加速條件下也具有良好的內(nèi)在磨損行為，并且沒(méi)有明顯的外在缺陷群（圖 5）。熱化學(xué)模型（方程 1）很好地描述了 TDDB 數(shù)據(jù)與溫度和柵極電壓的關(guān)系，該模型已廣泛用于 Si MOSFET，

其中 E 是柵極氧化物電場(chǎng)，T 是溫度，ΔH0 是零施加?xùn)艠O電場(chǎng)時(shí)的 Si-O 鍵強(qiáng)度，peff 是有效 Si-O 偶極矩。

圖 5. 按應(yīng)力條件劃分的 TDDB 壽命分布（威布爾標(biāo)度）。

將此模型應(yīng)用于多個(gè) 1200 V 和 650 V 完整生產(chǎn)器件，可得出所有器件在 175 °C、15 V 連續(xù)柵極偏壓下的固有壽命預(yù)測(cè)約為 1E8 小時(shí)。這表明 Wolfspeed 器件的柵極氧化物壽命對(duì)于不同尺寸和電壓等級(jí)是一致的（圖 6），由于柵極結(jié)構(gòu)和晶圓制造工藝的相似性，這是預(yù)期的。所得模型擬合參數(shù)與 Si 器件的相似，這表明 SiC 和 Si MOSFET 的柵極氧化物磨損機(jī)制相似。

圖 6. 多個(gè) Gen3 1200 V 和 650 V SiC MOSFET 的 TDDB 固有壽命外推。

高溫反向偏壓 (HTRB)。在某些器件設(shè)計(jì)屬性允許的情況下，SiC MOSFET 在阻斷條件下的壽命可以通過(guò)加速 HTRB 測(cè)試 (ALT-HTRB) 來(lái)表征。SiC MOSFET 在雪崩電壓下表現(xiàn)出相對(duì)較低的漏電。器件的設(shè)計(jì)通常在雪崩電壓和器件的額定電壓之間留有一定的余量，以確保針對(duì)高漏極偏置電壓（尤其是瞬態(tài)過(guò)壓）的可靠性和魯棒性。該裕度可以在高于額定電壓但低于雪崩電壓的情況下加速漏極偏置測(cè)試。在這種情況下，器件 JFET 間隙中的氧化物電場(chǎng)可能足夠高，足以引起柵極氧化物磨損。恒定偏壓 ALT-HTRB 測(cè)試表明，器件顯示相對(duì)較低的柵極和漏極泄漏，直到發(fā)生突然的柵源短路故障，幾乎沒(méi)有前兆信號(hào)，類(lèi)似于 TDDB 中發(fā)生的情況。

圖 7.（左軸）150 °C 下 ALT-HTRB 壽命中值與漏極偏置的關(guān)系，外推至 800 V 下約 1E8 小時(shí)。（右軸）代表性器件的漏極電流與電壓的關(guān)系，顯示雪崩電壓 > 1450V。

圖 7 顯示了 Wolfspeed Gen3 1200 V SiC MOSFET 的 ALTHTRB 測(cè)試結(jié)果。ALTHTRB 壽命數(shù)據(jù)使用 Weibull 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和線(xiàn)性 V 模型進(jìn)行擬合，如上文針對(duì) TDDB 所述。結(jié)果表明，在 175 °C 和 800 V（這是典型高可靠性 PECS 應(yīng)用中經(jīng)常使用 1200 V 器件的總線(xiàn)電壓）下，預(yù)計(jì)平均壽命約為 1E8 小時(shí)。

圖 8. 在 ALT-HTRB 應(yīng)力測(cè)試中已達(dá)到壽命終點(diǎn)的 Wolfspeed SiC MOSFET 失效部位的 FIB 橫截面的掃描電子顯微鏡圖像。箭頭突出顯示了加速壽命應(yīng)力測(cè)試期間發(fā)生的氧化物擊穿的位置。

失效分析表明，ALT-HTRB 失效機(jī)制是 JFET 間隙中心的柵極氧化層擊穿（圖 8）。這是預(yù)料之中的，因?yàn)檫@是反向偏壓下柵極氧化物電場(chǎng)最高的位置。失效分析沒(méi)有發(fā)現(xiàn)邊緣終端擊穿或 SiC 擊穿的證據(jù)（圖 9），這表明柵極氧化物磨損是影響反向偏壓可靠性的唯一失效機(jī)制。這支持使用線(xiàn)性 V（在本例中為漏極電壓，與柵極電壓直接相關(guān)）模型進(jìn)行 ALT-HTRB 壽命預(yù)測(cè)，如上所述。

圖 9. Wolfspeed SiC 平面 MOSFET 的橫截面示意圖，表明故障分析表明 ALT-HTRB 應(yīng)力期間發(fā)生的唯一故障機(jī)制是柵極氧化物擊穿，而不是邊緣終端擊穿或 SiC 擊穿。

標(biāo)準(zhǔn)化

SiC PECS 器件的這些有趣的可靠性方面一直在推動(dòng)行業(yè)聯(lián)盟緊急發(fā)布可靠性測(cè)試和鑒定的指南和標(biāo)準(zhǔn)，盡管方法論正在積極開(kāi)發(fā)并且新數(shù)據(jù)正在發(fā)布。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）發(fā)布了關(guān)于雙極退化和偏置溫度不穩(wěn)定性的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可靠性測(cè)試方法文件。JEDEC 已發(fā)布有關(guān)偏置溫度不穩(wěn)定性評(píng)估的文件、測(cè)量 SiC MOSFET 的閾值電壓、代表數(shù)據(jù)表中 SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗，以及最近用于評(píng)估 dV/dt 魯棒性的文件。歐洲電力電子中心 (ECPE) 修訂了其關(guān)于機(jī)動(dòng)車(chē)輛電力電子轉(zhuǎn)換器單元中使用的功率模塊資格的文件，現(xiàn)在包含關(guān)于基于 SiC 的功率模塊資格的附件部分，其中包括功率循環(huán)的具體指南、高溫柵極偏壓、高溫反向偏壓、動(dòng)態(tài)反向偏壓等。

即使對(duì)這些文件進(jìn)行粗略的審查也表明，這些聯(lián)盟之間尚未在可靠性壓力程序的某些主要方面達(dá)成一致，當(dāng)然也沒(méi)有在 AEC-Q101 或 JEDEC JESD47K 等標(biāo)準(zhǔn)資格指南方面實(shí)現(xiàn)一致。然而，可以肯定的是，這些和其他行業(yè)聯(lián)盟將繼續(xù)非常積極地致力于修訂現(xiàn)有的 SiC PECS 指南和標(biāo)準(zhǔn)并發(fā)布新的指南和標(biāo)準(zhǔn)。JEDEC 小組委員會(huì) JC-70.2“SiC 電力電子轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)”正在積極制定有關(guān)雙極穩(wěn)定性、柵極氧化物可靠性和 HTRB 的文件。從歷史上看，標(biāo)準(zhǔn)組織首先發(fā)布指南，然后發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是，首先更容易就指南達(dá)成廣泛共識(shí)，然后可以作為調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)（例如資格）的基礎(chǔ)。在制造商和客戶(hù)之間實(shí)現(xiàn)廣泛的一致具有挑戰(zhàn)性，但對(duì)于建立信心至關(guān)重要，因?yàn)?SiC 繼續(xù)在高可靠性和大批量應(yīng)用中令人印象深刻地廣泛采用。

總結(jié)

高可靠性應(yīng)用中對(duì) SiC PECS 器件的需求快速增長(zhǎng)，加上 SiC 中的高芯片數(shù)量、惡劣的工作條件和獨(dú)特的可靠性考慮因素，導(dǎo)致對(duì)徹底的可靠性表征和行業(yè)聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化的需求非常高。SiC 的關(guān)鍵失效機(jī)制，包括 BTI、雙極穩(wěn)定性和柵極氧化物（在柵極偏壓和反向偏壓下），已被制造商和其他研究人員充分表征。在應(yīng)力程序、壽命建模和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可靠性影響的協(xié)調(diào)方面正在取得良好進(jìn)展。幾個(gè)行業(yè)聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)布了許多指南和標(biāo)準(zhǔn)，并且很快還會(huì)發(fā)布更多指南和標(biāo)準(zhǔn)。下一個(gè)挑戰(zhàn)將是這些聯(lián)盟之間更廣泛的協(xié)調(diào)——需要做更多的工作，而且即將完成。

審核編輯：湯梓紅