碳化硅可靠性驗證要點

從MOSFET 、二極管到功率模塊，功率半導體產(chǎn)品是我們生活中無數(shù)電子設備的核心。從醫(yī)療設備和可再生能源基礎設施，到個人電子產(chǎn)品和電動汽車(EV)，它們的性能和可靠性確保了各種設備的持續(xù)運行。

第三代寬禁帶（WBG）解決方案是半導體技術的前沿，如使用碳化硅（SiC）。與傳統(tǒng)的硅（Si）晶體管相比，SiC的優(yōu)異物理特性使基于SiC的系統(tǒng)能夠在更小的外形尺寸內顯著減少損耗并加快開關速度。

由于SiC在市場上相對較新，一些工程師在尚未確定該技術可靠性水平之前，對從Si到SiC的轉換猶豫不決。但是，等待本身也會帶來風險--由于碳化硅可提高性能，推遲采用該技術可能會導致喪失市場競爭優(yōu)勢。

在本文中，我們將探討SiC半導體產(chǎn)品如何實現(xiàn)高質量和高可靠性，以及SiC制造商為確保其解決方案能夠投放市場所付出的巨大努力，這些努力不僅提升了產(chǎn)品性能，還確保了卓越的可靠性。

SiC半導體有何不同？

在化學層面上，Si和SiC的區(qū)別僅僅是增加了碳原子。但這導致SiC的晶圓具有更堅硬的纖鋅礦型原子結構，相比之下，Si的原子結構為較弱的金剛石型。這種結構差異使得SiC在高溫下具有更高的機械穩(wěn)定性、出色的熱導率、較低的熱膨脹系數(shù)以及更寬的禁帶。

層間禁帶寬度的增加導致半導體從絕緣狀態(tài)切換到導電狀態(tài)的閾值更高。第三代半導體的開關閾值介于2.3電子伏特（eV） 和3.3電子伏特（eV） 之間，而第一代和第二代半導體的開關閾值介于0.6 eV和1.5 eV之間。(圖1）

圖1：寬禁帶物理特性

就性能而言，寬禁帶（WBG）半導體的擊穿電壓明顯更高，對熱能的敏感性也更低。因此，與硅半導體相比，它們具有更高的穩(wěn)定性、更強的可靠性、通過減少功率損耗提高效率，以及更高的溫度閾值。

對于電子行業(yè)來說，這可以提高現(xiàn)有設計的效率，并促進電動汽車和可再生能源轉換器向更高電壓發(fā)展。這將帶來更多益處，如減少原材料和冷卻要求（由于相同功率下電流減小）、減小系統(tǒng)尺寸和重量，以及縮短電動汽車的充電時間。(圖2）

圖2：碳化硅應用優(yōu)勢

了解半導體可靠性

MOSFET、二極管或功率模塊發(fā)生故障會帶來災難性后果。對于直流快充、電池儲能系統(tǒng)和工業(yè)太陽能逆變器等關鍵能源基礎設施中的元件來說尤為重要。從嚴重的停機維修，到品牌聲譽損失，甚至更廣泛的損害或傷害，確保這些元件的可靠性至關重要。

典型的半導體要在相當大的負載和應力下工作，這一點在高壓SiC應用中尤為明顯。在器件的整個使用壽命期間，功率循環(huán)、熱不穩(wěn)定性和瞬態(tài)、電子運動和低功率電場等因素都可能導致半導體過早失效。

偏壓溫度不穩(wěn)定性(BTI)

BTI是影響硅產(chǎn)品可靠性的一種常見老化現(xiàn)象。當在介電界面或其附近，由于界面陷阱電荷的產(chǎn)生，這種現(xiàn)象會導致"導通"電阻增加，從而降低閾值電壓，減慢開關速度。

負偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTI)是MOSFET的主要可靠性問題之一，通常會隨著晶體管的老化而逐漸顯現(xiàn)。這一點對于柵極至源極電壓為負值或對柵極施加負偏壓的器件尤為明顯。

經(jīng)時柵極氧化物擊穿(TDDB，Time-Dependent Gate Oxide Breakdown)

TDDB是指在工作過程中，由于持續(xù)施加的電偏壓和地球電磁輻射的影響，柵極氧化物有可能受損的現(xiàn)象。這是一種基于老化的失效機制，會限制半導體產(chǎn)品的使用壽命。

功率和熱影響

器件上劇烈的功率循環(huán)會增加MOSFET的瞬時應力，并可能產(chǎn)生超過擊穿電壓的電壓尖峰。雖然抑制措施有助于隨時間減少浪涌效應，但即使是減弱了的動態(tài)應力仍會影響器件的可靠性。

由于半導體材料的結構本身是其運行的關鍵，當襯底的不同區(qū)域以不同的速度冷卻和收縮時，激烈和反復的熱循環(huán)會導致元件損壞。

雙極性老化

由SiC MOSFET體二極管應力引起的雙極性老化，可能導致“導通”狀態(tài)下的電阻增加，這是由于體二極管正向偏置時流過的電流觸發(fā)的。這種老化有時也表現(xiàn)為前向電壓漂移或關斷狀態(tài)漏電流增加。最常見的是由于現(xiàn)有外延層基晶面位錯（BPDs）的激活所引起，通過合理設計外延層并在生產(chǎn)過程中進行掃描可以預防這種激活。

確保半導體可靠性

對于SiC制造商之一的安森美而言，要確保SiC產(chǎn)品能夠滿足下一代應用的性能要求，就必須針對SiC結構量身定制廣泛的質量和可靠性項目。

要認識到SiC的局限性，從而確定其可靠的工作條件，了解其失效模式和機制至關重要。通過追溯這些失效模式和機制，并通過深入分析、可以暴露弱點和制定糾正措施。

項目基礎與合作

由于許多高性能的SiC應用還涉及到具有長生命周期的系統(tǒng)，因此至關重要的是，SiC的測試要緊密符合應用的預期。

為了加深對碳化硅材料失效模式的了解，安森美的質量項目包括一個多元化的團隊，其中包括參與前端制造、研發(fā)、應用測試和失效分析的人員。通過與世界各地的大學和專業(yè)研究中心合作，這一項目得到了進一步加強。

晶圓質量認證

晶圓質量認證（也稱為內在質量認證）主要關注晶圓制造過程，其目的是確保按照合格流程加工的所有晶圓都具有穩(wěn)定的內在高可靠性水平。這或許是任何SiC可靠性中最關鍵的因素，因為晶圓缺陷既可能導致封裝時立即出現(xiàn)故障，也可能在產(chǎn)品的后期壽命中出現(xiàn)問題。

為確保長期的可靠性，安森美開發(fā)了一系列深入的方法，包括視覺和電子篩選工具，旨在消除有缺陷的晶粒。

晶圓制造工藝流程始于襯底掃描，在此過程中使用坐標跟蹤和自動分類技術來識別和跟蹤缺陷。在整個生產(chǎn)過程中，多次檢驗掃描用于在關鍵步驟中識別潛在缺陷（圖3）。

圖3：前端流程中的掃描和檢查

電氣篩選也在多個階段實施，例如晶圓驗收測試、老化測試和晶圓級晶粒分類，以及動態(tài)部件平均值測試，以消除電氣異常值。最后，所有晶圓都要接受徹底的自動化出廠檢查，其中包括視覺缺陷的識別。

廣泛測試

無論是在SiC產(chǎn)品的開發(fā)過程中，還是在產(chǎn)品的持續(xù)生產(chǎn)過程中，安森美都會進行一系列的測試，旨在測試整個生產(chǎn)過程（晶圓制造、產(chǎn)品封裝和應用測試）的質量和可靠性。

擊穿電荷(QBD)測試

安森美使用QBD作為評估柵極氧化物質量的一種直接而有效的方法，與柵極氧化物厚度無關。安森美的方法是在室溫下對正向偏置柵極施加5 mA/cm2的電流，這種破壞性測試在精度和靈敏度方面超過了線性電壓QBD測試，能夠檢測到內在分布中的細微差異。

圖4顯示了平面SiC和Si柵極氧化物內在性能對比測試結果。

圖4：SiC NMOS電容、1200 V 40 mΩ EliteSiC MOSFET和Si MOSFET產(chǎn)品的QBD測量值

在比較內在QBD的性能（與柵極氧化物厚度無關）時，在相同標稱厚度下，安森美平面SiC的內在性能比Si提高了50倍。這顯示了SiC在性能和可靠性方面的巨大飛躍。

在生產(chǎn)過程中，每批產(chǎn)品的柵極氧化物質量是通過將SiC MOSFET產(chǎn)品晶粒的采樣QBD與大面積（2.7 mm x 2.7 mm）NMOS電容器進行對比來評估的，并且設定了嚴格的標準以確保任何異常值都被剔除。

TDDB測試

為了確保其SiC產(chǎn)品的壽命，安森美進行了廣泛的TDDB應力測試，這些測試遠遠超出了常規(guī)工作條件。圖5展示了一個SiC生產(chǎn)MOSFET的TDDB測試數(shù)據(jù)示例。該器件在175°C的溫度下經(jīng)受了一系列柵極電壓和與電子俘獲相關的氧化物電場的影響。

圖5：SiC生產(chǎn)MOSFET的TDDB數(shù)據(jù)（175oC和低于9 MV/cm時的應力）

即使采用保守的模型，在柵極電壓為21V的情況下，預測的失效時間為20年，這遠高于該型號規(guī)定的工作電壓（18V）。

跨職能方法體系

除了QBD和TDDB測試之外，安森美還在公司內部以及與獨立的學術研究人員合作，進行一系列廣泛的實驗。

包含雙極性老化、動態(tài)應力測試和BTI老化測試在內的全套測試流程，構成了一種廣泛的跨職能方法體系，旨在對晶圓到最終應用產(chǎn)品進行全面測試。這確保了安森美的產(chǎn)品能夠兌現(xiàn)SiC的承諾——提高效率、加快開關速度、支持更高電壓以及增強可靠性，以更精確地符合客戶的系統(tǒng)要求。

2023年11月， 安森美在斯洛伐克的Piestany開設了先進的電動汽車系統(tǒng)應用實驗室，進一步擴大其應用測試范圍。該實驗室旨在為電動汽車和可再生能源逆變器下一代系統(tǒng)解決方案的開發(fā)提供支持。該實驗室包括各種專有測試設備和來自AVL等業(yè)界知名制造商的解決方案。

碳化硅--市場準備就緒的技術

大規(guī)模采用SiC還將面臨一些挑戰(zhàn)，例如半導體制造商要跟上需求的步伐，由于有了廣泛的測試項目（如安森美開展的測試項目），電子行業(yè)應該不會對SiC的可靠性和性能感到擔憂。

對于日益增多的高要求應用，包括電動汽車和可再生能源轉換器，SiC技術應成為工程師的首選。過去，對于電子工程師來說，要找到在投放市場后立即在性能和可靠性方面實現(xiàn)飛躍的元件和應用級解決方案極具挑戰(zhàn)性，但SiC技術卻可以做到這一點。