英飞凌通过两种可靠性测试方法评估SiC器件

本文作者：英飞凌Peter Friedrichs

宽带隙碳化硅（SiC）半导体的开发已证明对功率转换应用极为有利。SiC功率管能够以更高的频率进行切换，并具有更高的击穿电压特性，因此正迅速成为高功率密度或高效功率转换应用中极有吸引力的替代品。但是，尽管该材料具有特性和与硅有许多相似之处，但仍存在一些显着差异。在SiC工艺制造过程中，可将用于测试和验证硅器件的方法迁移过来，从而节省时间和预算。材料与操作条件之间的差异主要是对长期可靠性测试的需求。

Si和SiC之间的差异需要额外的测试

在CoolSiC系列器件的开发和发布过程中，我们进行了研究，以确定将影响这些半导体的长期可靠性的关键失效机制。只有这样，才能确保基于SiC的设备组合的安全可靠运行。

根据研究，SiC的以下几个方面需要采用不同的方法进行测试：

Si和SiC材料之间的差异以及特定SiC缺陷结构，各向异性以及其他机械和热特性影响

材料本身和外部明显更高的电场

高电压（Vds> 1000 V）和快速开关瞬变（> 50 V / ns）组合运行的结果

在基于MOS的器件中使用宽带隙材料的含义

对以上内容的分析使我们建立了针对SiC功率器件的新测试，以考虑SiC器件与硅功率器件相比所遇到的不同工作条件。其中包括强调用于器件表征和验证的任务配置文件应力分析方法。

通过压力测试提高SiC MOSFET的可靠性

在商业化的早期阶段，SiC MOSFET器件的可靠性未达到硅相同的可靠性。原因主要是由于变形导致的栅氧化层易损坏，称为外在缺陷，采用局部材料变薄来描述。较厚的栅极氧化物层和使用高压脉冲技术进行筛选可以使最终产品的栅极氧化物缺陷率降低，但较厚的栅极氧化物层会稍微增加器件的导通电阻。

英飞凌开发了两个压力测试，以评估外部缺陷对栅极氧化物可靠性的影响，二者均使器件处于预期条件下可运行。其中第一个是长期压力测试，用于评估开发阶段实际行为，第二个是栅极电压阶跃压力测试，以快速估算稳定性。

长期压力测试

由于外部故障很少发生，因此开发的长期压力测试包括在与实际要求非常匹配的工作条件下并行测试数千个SiC器件，测试周期通常至少需要100天，才能在实际的测试样本量上实现足够的外部故障。为了物理上管理如此大量设备的测试，该团队构建了包含多个设备的单个封装，以便可以在测试板上放置多个器件。即使需要较大的样本量，长期压力测试也是预测SiC MOSFET正常运行期间的寿命故障率的极好方法。它是FIT速率计算的基准，因为它提供了重要的加速度模型参数。

栅极电压阶跃压力测试

估算MOS器件的栅极氧化物稳定性的更快方法是通过栅极电压阶跃应力测试。使用较小的样本量（通常为100个器件），该测试涉及在最大允许结温下测试规定的应力周期（例如24小时）。在此期间，栅极电压从建议的栅极电压开始逐步增加，每步2V。在每个偏置步骤之后，都会对发生故障的器件进行计数并删除。测试将继续进行，直到所有设备显示硬故障为止。可以通过使用所谓的Weibull图来显示故障分布。栅极电压阶跃应力测试是对不同制造商器件的栅极氧化物可靠性进行定性比较的理想方法。