隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，碳化硅（SiC）金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）因其優(yōu)異的性能，如高開關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻和高工作溫度，逐漸成為高頻、高效功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用的理想選擇。然而，SiC MOSFET的柵氧可靠性問題一直是制約其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。柵氧層的可靠性直接影響到器件的長期穩(wěn)定性和使用壽命，因此，如何有效驗(yàn)證SiC MOSFET柵氧可靠性成為了業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文將詳細(xì)介紹一種常用的柵氧可靠性驗(yàn)證方法——經(jīng)時介電擊穿（TDDB）測試，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和壽命預(yù)測模型，評估SiC MOSFET柵氧層的可靠性。

TDDB失效機(jī)理

經(jīng)時介電擊穿（TDDB）是一種用于評估柵氧層可靠性的重要測試方法。其基本原理是通過在柵氧層上施加恒定的電壓應(yīng)力，觀察柵氧層在長時間應(yīng)力作用下的擊穿行為。TDDB失效機(jī)理主要包括以下幾個步驟：

1.缺陷生成：在電場應(yīng)力的作用下，柵氧層中的缺陷逐漸生成。這些缺陷可能是由于制造過程中的雜質(zhì)、界面態(tài)或晶格不匹配引起的。

2.電荷捕獲：電場應(yīng)力會導(dǎo)致電荷在柵氧層中捕獲，形成局部高電場區(qū)域，進(jìn)一步加速缺陷的生成。

3.導(dǎo)電通道形成：隨著缺陷的積累，柵氧層中會形成導(dǎo)電通道，導(dǎo)致局部電流密度增加。

4.擊穿發(fā)生：當(dāng)導(dǎo)電通道的密度達(dá)到一定程度時，柵氧層會發(fā)生擊穿，導(dǎo)致器件失效。

圖一 SiO2體內(nèi)形成滲流路徑簡化二維模型

柵氧內(nèi)部產(chǎn)生缺陷的物理機(jī)理并沒有一個準(zhǔn)確的結(jié)論，廣泛認(rèn)同的模型有基于電場的熱化學(xué) E 模型、基于電流的陽極空穴注入1/E模型、基于缺陷自身位置與能量的幸運(yùn)缺陷模型以及不涉及真實(shí)物理機(jī)理但有助于早期失效篩選的局部柵氧變薄模型，下表列出了不同模型的特點(diǎn)及其壽命推算公式。

TDDB實(shí)驗(yàn)流程

了解TDDB的失效機(jī)理后，我們可以知道器件的柵氧可靠性測試是可以通過改變施加在器件上的應(yīng)力加速的，加速因子為柵極電壓VG與環(huán)境溫度Ta，圖2是TDDB測試的實(shí)驗(yàn)流程，旨在確定擊穿電壓并在不同溫度和電壓條件下評估柵氧可靠性。

圖2TDDB實(shí)驗(yàn)流程

（1）器件初篩：每組實(shí)驗(yàn)選用20顆SiC MOSFET器件，初篩選取電學(xué)特性符合規(guī)范的器件，以獲取更加準(zhǔn)確的失效分布；

（2）TZDB測試：確定器件的擊穿電壓（VBD），為TDDB測試提供參考電壓，如果知道器件的柵氧層厚度，可以計(jì)算器件失效時的臨界擊穿場強(qiáng)；

（3）設(shè)置TDDB加速應(yīng)力：在升溫完成后施加?xùn)艠O電壓應(yīng)力，并實(shí)時監(jiān)測每顆器件的柵極泄漏電流IGSS，根據(jù)不同的測試溫度和柵極應(yīng)力可以將器件分為不同的測試組；

（4）器件失效判據(jù)：TDDB測試?yán)匣逍枰谄骷臇艠O串聯(lián)一顆保險絲，其作用是限制器件的柵極的電流，一旦器件出現(xiàn)失效，保險絲可以及時熔斷，電流歸零，記錄此時的總應(yīng)力時間，即為該器件的失效時間；

（5）實(shí)驗(yàn)停止判據(jù)：一般情況下，TDDB實(shí)驗(yàn)為完全壽命實(shí)驗(yàn)，即需要所有器件出現(xiàn)失效；為了縮短TDDB實(shí)驗(yàn)時間，也可以采用80%器件失效作為實(shí)驗(yàn)結(jié)束判據(jù)。

以上為TDDB實(shí)驗(yàn)的流程，通過控制加速因子，可以得出器件在不同溫度、不同應(yīng)力下的失效時間，而器件柵氧失效的數(shù)據(jù)處理常常使用威布爾分布（Weibull distribution）進(jìn)行分析，在實(shí)驗(yàn)中可以使用以下公式計(jì)算第i個器件在n個樣本中的累計(jì)失效率F(i)：

同時，累計(jì)失效率與失效時間也滿足以下關(guān)系：

因此只需要計(jì)算出ln(-ln(1-F))的值和ln(t)的值，通過線性回歸獲得的斜率與截距，經(jīng)過計(jì)算后就可以得到形狀參數(shù)β及本征壽命t63.2，同時可以獲得柵氧壽命的威布爾分布圖：

圖3柵氧失效威布爾分布圖[4]

從圖中可以看到對于不同的測試條件，器件的失效時間是不同的，這對應(yīng)了不同的應(yīng)力下的失效分布，四條曲線的形狀參數(shù)β存在區(qū)別，一般來說，隨著應(yīng)力的減小，β也會提高，測試獲得的壽命也約接近真實(shí)值。同時，也可以注意到每組器件都會有幾個點(diǎn)與擬合曲線的距離較遠(yuǎn)，這說明器件出現(xiàn)了早期失效，這些器件的預(yù)估壽命也會遠(yuǎn)小于正常壽命，對應(yīng)了浴盆曲線的早期高失效率階段。

圖4浴盆曲線風(fēng)險函數(shù)

E模型壽命預(yù)測

通過TDDB實(shí)驗(yàn)獲取器件的失效分布后，結(jié)合器件柵氧失效的機(jī)理，也就是之前提到的E模型、1/E模型等，我們可以通過這些模型合理地預(yù)測SiC MOSFET器件的柵氧可靠性。

這里以E模型為例進(jìn)行簡單介紹，E模型的器件本征失效壽命tBD滿足：

其中Eox為器件的柵氧電場強(qiáng)度，從公式可知，器件的本征壽命的對數(shù)與柵氧電場強(qiáng)度呈現(xiàn)線性關(guān)系，因此可以通過多個電壓點(diǎn)的本征壽命擬合，外推正常工作電壓條件下的失效率63.2%的本征壽命，同時也可以計(jì)算1ppm、10ppm以及100ppm失效率下的器件本征壽命，這里也為大家解答一個疑問，為什么工業(yè)上常常使用E模型進(jìn)行壽命外推？

我們來看圖5，這是使用E模型、1/E模型以及冪律模型進(jìn)行壽命外推獲得的曲線，可以看到，E模型的推算壽命是最為保守的，盡管E模型主要是作用于高電場強(qiáng)度下的模型，在低壓下，1/E模型和冪律模型擬合度更高，但獲得的壽命也更加高，因此為了保證器件柵氧長期使用的可靠性，E模型成為了工業(yè)上柵氧壽命外推的首選公式。

圖5 不同模型壽命外推的擬合曲線[5]

小結(jié)：通過TDDB測試和壽命預(yù)測模型，我們可以有效評估SiC MOSFET柵氧的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，柵氧層的擊穿時間與電場強(qiáng)度密切相關(guān)，且在不同應(yīng)力條件下表現(xiàn)出不同的失效分布特性。基于E模型和1/E模型的壽命預(yù)測，可以為SiC MOSFET的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供重要的可靠性參考。

然而，需要注意的是，TDDB測試僅能模擬柵氧層在恒定應(yīng)力下的失效行為，實(shí)際應(yīng)用中，器件可能會經(jīng)歷復(fù)雜的動態(tài)應(yīng)力條件。因此，未來的研究可以進(jìn)一步探索動態(tài)應(yīng)力下的柵氧可靠性評估方法，以更全面地反映SiC MOSFET在實(shí)際工作環(huán)境中的可靠性表現(xiàn)。

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