12月28日，阿里達摩院發表了2021十大科技趨勢，令業內歡欣鼓舞的是「以氮化鎵、碳化矽為代表的第三代半導體迎來應用大爆發」列為十大之首。
碳化矽MOSFET在光伏、充電、新能源汽車等應用領域優於IGBT的卓越性能不用質疑。但與此同時，因其材料、結構的特殊性，碳化矽MOSFET的可靠性與壽命也一直是工程師們關注與討論的熱點。
跨年8期連載，我們以白皮書的形式介紹碳化矽MOSFET柵極氧化層可靠性，交流和直流偏壓溫度不穩定性，體二極體退化，抗短路和宇宙射線能力，產品標準和汽車級認證等8大話題，全文3萬多字。
《工業級SiC MOSFET的柵極氧化層可靠性——偏壓溫度不穩定性（BTI）》
在正常使用器件時，由於半導體-氧化層界面處缺陷的產生和/或充放電，SiC MOSFET的閾值電壓可能略有漂移。閾值電壓的漂移可能對器件的長期運行產生明顯影響，具體取決於漂移量。由於這種漂移通常是向更大的電壓值偏移，因此會導致器件的導通電阻變大。這又導致損耗增加，以及散熱需求增大，從而可能縮短器件的使用壽命。因此，了解閾值電壓的行為並考慮它對設計餘量的影響非常重要。
這種現象在Si技術中已非常常見，被稱之為「偏壓溫度不穩定性」（BTI）。考慮到SiC屬於寬禁帶半導體的事實，即，它不僅由矽（Si）而且由碳（C）原子組成，SiC/SiO2界面的特性相比Si/SiO2界面稍有不同。在SiC/SiO2界面存在位於更大能量範圍內的其它點缺陷類型，它們必須通過其它的氧化後處理（比如，用氧化氮代替氮氫混合氣氛退火）進行鈍化。此外，由於SiC的帶隙較寬，在半導體與SiO2柵極氧化層之間更容易進行載流子交換。這些差異自然又會使得SiC MOSFET的電氣特性和動態漂移特性相比Si MOSFET稍有改變。
很多努力已經付出在改善SiC MOSFET的性能上，但性能改善未必能帶來更好的器件可靠性。為保證器件特性長期穩定，必須密切關注BTI這種漂移現象。在英飛凌，我們在追求一流器件性能的同時，也在設法實現最優異的器件可靠性。因此，我們開展了深入的研究，以期能夠深入地了解潛在效應，評估BTI效應在現實應用中的影響，並制定出能夠儘可能地抑制BTI效應的措施。
SiC MOSFET在恆定柵極偏壓條件下的
參數變化（DC BTI）
DC BTI效應不僅存在於SiC功率器件中，在矽（Si）技術中也很常見。當在高溫條件下給Si或SiC MOSFET的柵極施加恆定的DC偏壓時，可以觀察到閾值電壓和導通電阻的變化。改變的幅度和極性取決於應力條件（偏壓、時間、溫度）。施加正柵極偏壓應力（PBTI）時，通常可以觀察到閾值電壓向更高的電壓偏移；而如果施加負柵極偏壓應力（NBTI），閾值電壓則向相反的方向偏移。這種效應是由SiC/SiO2或Si/SiO2界面處或附近的載流子捕獲引起的，可以通過優化器件工藝控制在最低水平。為更好地了解和預測SiC MOSFET中的DC BTI，英飛凌對這個問題展開了深入的研究，重點了解它相比Si技術存在哪些不同。就Si MOSFET而言，英飛凌過去已經對BTI有了紮實的了解，並且已與眾多著名高校一道為科學進步作出了重大貢獻。已經掌握的退化物理學和電氣測量技術知識，如今已被用於研究英飛凌的SiC器件。事實上，儘管材料特性不同，Si和SiC技術在DC BTI方面卻存在許多相似之處。然而，它們在有些方面仍然存在不同，在測量和評估特定應用中的參數變化時必須考慮到這些不同。
由DC BTI引起的閾值電壓變化由兩個分量組成：一個是快速、可恢復的分量，另一個是準永久（恢復很慢）的分量。準永久分量決定器件的長期漂移量，而快速分量能在短時間內恢復。
為了獲得可比較的漂移值，已制定測定BTI漂移的工業標準，如JESD22和它的擴展標準AEC-Q101。這些標準都是以Si技術為基礎建立的，必須針對SiC技術進行完善，如下所述。
圖6.以PBTI（脈衝BTI）應力為例，典型的DC BTI MSM（測量-應力-測量）序列。左圖顯示的是測量信號與時間的關係。右圖顯示的是閾值電壓漂移的恢復與時間的關係，旨在表明讀數延遲對提取的閾值電壓漂移的影響。即使讀數時間有很小的差異，提取的閾值電壓漂移也有很大不同。
測量DC BTI的傳統方法是以測量-應力-測量（MSM）為順序，先反覆地給柵極施加偏壓和溫度應力，然後讀數，如圖6中的左圖所示。藉助這種方法及合適的設備，以上所述的兩個漂移分量都能被測量出來。但是，獲得的閾值電壓漂移在很大程度上取決於讀數時間——即應力階段與讀數階段之間的時間間隔，以及器件的狀況。從圖6中的右圖可以看出，閾值電壓漂移在應力結束後以指數級速度恢復。於是，即使讀數時間有很小的差異——比如1ms vs. 100ms，提取的閾值電壓漂移也有很大不同。因此，這種簡單的方法存在的缺點是重現性差，且難以區分閾值電壓漂移中的完全可恢復的快速分量（滯後效應）與更加依賴於應用的準永久分量。
因為這個原因，英飛凌建議使用改進版的BTI測量序列，其中需要用到預處理脈衝，如圖7所示。以預處理過的PBTI為例，讀數階段包含累積脈衝、在固定電流電平下的一次讀數、反向脈衝和二次讀數。在所有序列都完成之後，即在二次讀數時，留下的主要是準永久的BTI分量，它幾乎無法恢復或者恢復很慢。這意味著，預處理使得測量結果更容易被重現，更不易受到讀數延遲和器件狀況的影響，並允許正確地區分滯後效應與漂移效應。
圖7.預處理過的PBTI的測量序列。讀數階段包含累積脈衝、一次讀數、累積脈衝和二次讀數。二次讀數得到的是最穩定的、可重現的結果。
同一個讀數階段中的一次讀數與二次讀數之差代表閾值電壓滯後現象。它隨時間發生的漂移表示產生了新的界面態。預處理脈衝模擬的是柵極在應用中的開關過程，可將陷阱態轉化為預定的電荷態，從而減少讀數延遲與器件狀態的影響。
3、SiC和Si功率MOSFET的DC BTI比較
在以前發表的文章中，經常是說SiC MOSFET的漂移量顯著高於Si功率器件。然而我們已經證明，英飛凌的SiC功率MOSFET具有的NBTI漂移量（負BTI）很小，可與最先進的Si 超結MOSFET器件相媲美（即使在給器件施加明顯的過應力時）。這一結果是通過優化器件工藝來實現的。針對SiC，我們給出了幾種不同的工藝處理所帶來的不同結果，以證明通過優化SiC/SiO2界面來改善或降低BTI的可能。
英飛凌研究了在200°C和-25V的偏壓應力下的NBTI漂移（圖8）。結果顯示，通過幾種工藝處理的改進，英飛凌SiC MOSFET的NBTI漂移可以減少一個數量級。在本試驗的實驗窗口中，最好的工藝改進版本所得到的NBTI漂移量，與Si MOSFET處於同一個數量級。SiC MOSFET的漂移斜率甚至更小，表示隨著應力施加時間的延長，它的漂移量將比Si MOSFET少。低NBTI是英飛凌SiC MOSFET器件的典型特徵之一。
圖8.在200°C和-25V的偏壓應力下，NBTI隨時間的變化。通過改進處理工藝，英飛凌SiC MOSFET的總漂移量可被降到與同等的Si功率MOSFET類似的水平。
英飛凌研究了在200°C和+25V的偏壓應力下的PBTI漂移（圖9）。結果顯示，Si和SiC的PBTI有許多相似之處，而只有少許差異。
圖9.在200°C和+25V的偏壓應力下，PBTI隨時間的變化。取決於所用的技術和器件工藝，可以看到Si和SiC的PBTI隨時間發生的變化是一致的，但絕對閾值電壓漂移並不相同。SiC MOSFET的PBTI更大，但仍然位於100mV的範圍以內。
事實上，我們發現，SiC和Si功率MOSFET的PBTI隨時間發生的變化、電壓加速（圖10）和與溫度的關係都是一致的。
圖10.PBTI在200°C下的電壓加速。所有器件（無論是SiC還是Si技術）都顯示出相同的電壓加速，以及不同的絕對漂移。
剩餘差異是絕對閾值電壓漂移的補償。通過優化器件處理，我們再次實現了漂移量降低一個數量級的目標，從而使得漂移量在本試驗的實驗窗口中落在了100mV的範圍以內。然而，在這些試驗條件下，最好的SiC器件的漂移仍是參比的Si器件樣品的8倍左右。對於Si功率MOSFET，PBTI通常完全不是問題。所觀察到的漂移補償是SiC能帶結構不同所導致的自然結果。
圖11.SiC/SiO2和Si/SiO2界面的能帶圖。這兩種技術的柵極氧化層中存在相同的陷阱分布。由於SiC的導帶底更高，所以相比Si，這一固有的陷阱能級更容易得到填充，這自然就使SiC的PBTI漂移更大——即使在假定SiO2的陷阱密度相同時。
圖11顯示的是SiC/SiO2和Si/SiO2界面的能帶圖，其中包含SiO2中靠近SiC導帶邊緣的一個已知的內在氧化物陷阱能級。正如我們在中所證明的，SiC導帶度更高使得電子更容易被捕獲到該陷阱能級中，這是SiC器件在被施加PBTI應力後產生的漂移更大的主要原因。
雖然DC BTI已經得到廣泛的研究——尤其是Si技術的DC BTI，但目前還沒有被普遍認可的物理漂移模型。然而，利用實證冪律或捕獲/釋放時間圖等經驗模型，也可能進行壽命終期漂移預測。我們的研究表明，為Si技術開發和驗證的預測模型（簡化冪律和簡化熱激發模型），也能非常方便地用於英飛凌的SiC MOSFET。因此，SiC MOSFET的DC BTI漂移能向Si技術一樣進行預測。
SiC的DC BTI是嚴重影響器件可靠性的一個問題。因此，必須通過優化器件工藝來將DC BTI降到最小，並利用合適的測量方法仔細地評估DC BTI。然而，因為能使器件性能更好（RON x A更小）的工藝條件，在NBTI或PBTI方面不一定就表現最好，所以必須採取謹慎的態度來對待DC BTI。英飛凌的SiC MOSFET具有優異的器件性能，同時還擁有很小的NBTI，可與最先進的Si功率MOSFET相媲美。SiC器件的PBTI由於帶隙更大而比Si技術略高，但仍位於100mV的範圍以內。由於觀察發現SiC的PBTI與時間、溫度和偏壓的關係與Si技術類似，所以可以斷定它們對應的潛在物理機制是一樣的，因此可以使用與Si技術相同的、同樣有預測能力的建模方法。
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