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SiC MOSFET FIT率和柵極氧化物可靠性的關(guān)系

發(fā)布時(shí)間:2022-07-13 來(lái)源:英飛凌 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】除了性能之外,可靠性和堅(jiān)固性是SiC MOSFET討論最多的話題。我們將堅(jiān)固性定義為器件承受特定的特殊壓力事件的能力,例如,短路能力或脈沖電流處理能力。可靠性指器件在目標(biāo)壽命內(nèi)額定工作條件下的穩(wěn)定性。與可靠性相關(guān)的現(xiàn)象包括某些電氣參數(shù)的漂移或毀壞性的故障。對(duì)于硬故障,通常以FIT率的形式進(jìn)行量化。FIT率說(shuō)明了某一類型的設(shè)備在一定時(shí)期內(nèi)預(yù)期有多少次故障。目前,宇宙射線效應(yīng)主要制約著大功率硅器件的FIT率。


就SiC而言,還需要考慮由于柵氧化層電場(chǎng)應(yīng)力造成的柵極氧化層可靠性問(wèn)題。如下圖所示,SiC的總FIT率是宇宙射線FIT率和氧化物FIT率之和。對(duì)于宇宙射線失效率,可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式得到某種技術(shù)的FIT率,根據(jù)這些結(jié)果并結(jié)合應(yīng)用的目標(biāo),就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)符合目標(biāo)FIT率的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。優(yōu)化漂移區(qū)的電場(chǎng)設(shè)計(jì)通??梢詫?shí)現(xiàn)低的FIT率。對(duì)于氧化物的FIT率,則需要應(yīng)用一個(gè)篩選過(guò)程來(lái)降低FIT率,因?yàn)榕c硅相比,SiC的缺陷密度仍然相當(dāng)高。然而,即使在我們的硅功率器件中,柵極氧化物的篩選仍然是作為一種質(zhì)量保證措施而采用的.


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SiC MOS器件的柵極氧化物可靠性的挑戰(zhàn)是,在某些工業(yè)應(yīng)用給定的工作條件下,保證最大故障率低于1 FIT,這與今天的IGBT故障率相當(dāng)。


由于碳化硅和硅材料上生長(zhǎng)的二氧化硅(SiO2)的質(zhì)量和特性幾乎是相同的,因此理論上相同面積和氧化層厚度的Si MOSFET和SiC MOSFET可以在相同的時(shí)間內(nèi)承受大致相同的氧化層電場(chǎng)應(yīng)力(相同的本征壽命)。但是,這只有在器件不包含與缺陷有關(guān)的雜質(zhì),即非本征缺陷時(shí)才有效。與Si MOSFET相比,現(xiàn)階段SiC MOSFET柵極氧化物中的非本征缺陷密度要高得多。

電篩選降低了可靠性風(fēng)險(xiǎn)


與沒(méi)有缺陷的器件相比,有非本征缺陷的器件更早出現(xiàn)故障。無(wú)缺陷的器件雖然也會(huì)疲勞失效,但壽命很長(zhǎng)。通常情況下,足夠厚的無(wú)缺陷氧化層的本征失效時(shí)間比正常應(yīng)用下的使用時(shí)間要長(zhǎng)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此,在典型的芯片壽命內(nèi),氧化物的FIT率完全由非本征缺陷決定。


保證碳化硅MOSFET的柵極氧化層具有足夠的可靠性的挑戰(zhàn)是——如何將受非本征缺陷影響的器件數(shù)量,從最初工序結(jié)束時(shí)的高比例(如1%),減少到產(chǎn)品發(fā)運(yùn)給客戶時(shí)可接受的低比例(如10ppm)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一個(gè)公認(rèn)的方法是使用電篩選。


在電篩選過(guò)程中,每個(gè)器件都處于柵控應(yīng)力模式。應(yīng)力模式的選擇方式是,具有嚴(yán)重缺陷的器件將失效,而沒(méi)有這些缺陷的器件,或只有非關(guān)鍵性缺陷的器件可以通過(guò)測(cè)試。未通過(guò)篩選的器件將從產(chǎn)線移除。通過(guò)這種方式,我們將潛在的可靠性風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)量損失。


為了使器件能夠承受一定的柵極應(yīng)力,柵極氧化層需要有一個(gè)特定的最小厚度。如果柵極氧化層的厚度太低,器件在篩選過(guò)程中會(huì)因?yàn)槠诙霈F(xiàn)本征失效,或者在篩選后出現(xiàn)閾值電壓和溝道遷移率下降的情況。另一方面,更厚的柵極氧化層會(huì)增加閾值電壓,并在給定的VGS(on)條件下降低溝道電導(dǎo)率。下圖說(shuō)明了柵極氧化物FIT率和器件性能之間的權(quán)衡,這在中也有討論。


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我們已經(jīng)投入了大量的時(shí)間和樣品,得到了SiC MOSFET的柵氧化可靠性的大量數(shù)據(jù)。舉例來(lái)說(shuō),我們對(duì)通過(guò)電篩選的SiC MOSFET分成三組,每組施加不同的正負(fù)柵極應(yīng)力偏置,在150℃下測(cè)試了的通態(tài)可靠性100天。每組樣品有1000個(gè)器件。下圖顯示了不同柵極氧化工藝條件下的結(jié)果,最終量產(chǎn)的工藝可靠性方面有明顯改進(jìn)。


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使用初始的工藝條件,在兩倍于建議的30V柵極偏壓下,1000個(gè)器件中只有不到10個(gè)失效。改進(jìn)的實(shí)施工藝將這一數(shù)字減少到30V時(shí)僅有一個(gè)故障,25V和-15V時(shí)的故障為零。惟一的一個(gè)失效是非固有失效,然而,這并不關(guān)鍵,因?yàn)樵陬~定的柵極偏壓使用條件下,失效發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)定的產(chǎn)品壽命。


當(dāng)然,除了評(píng)估通態(tài)氧化物的可靠性外,評(píng)估斷態(tài)氧化物的應(yīng)力也很重要,因?yàn)镾iC功率器件中的電場(chǎng)條件比硅功率MOS元件更接近SiO2的極限。


屏蔽是導(dǎo)通電阻和可靠性之間的權(quán)衡


關(guān)鍵的策略是通過(guò)對(duì)深p阱的適當(dāng)設(shè)計(jì)來(lái)有效地屏蔽敏感的氧化物區(qū)域。屏蔽的效率是導(dǎo)通電阻和可靠性之間的權(quán)衡。在溝槽MOSFET中,深p阱在MOSFET的溝道區(qū)下面形成類似JFET的結(jié)構(gòu),可以有效地促進(jìn)屏蔽。這種JFET(結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管)為導(dǎo)通電阻增加了一個(gè)額外的分量,主要取決于掩埋的p區(qū)之間的距離和摻雜。這種屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)于避免關(guān)斷狀態(tài)下的柵極氧化層退化或柵極氧化層擊穿至關(guān)重要。


為了驗(yàn)證CoolSiC? MOSFET的斷態(tài)可靠性,我們?cè)?50°C、VGS=-5V和VDS=1000V的條件下對(duì)超過(guò)5000個(gè)1200V的SiC MOSFET進(jìn)行了100天的應(yīng)力測(cè)試。這些條件對(duì)應(yīng)于工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)夠嚴(yán)酷了。受器件的擊穿電壓的限制,VDS不能再繼續(xù)增加。


在更高的漏極電壓下進(jìn)行測(cè)試會(huì)使結(jié)果失真,因?yàn)槠渌收蠙C(jī)制,如宇宙射線引起的故障可能出現(xiàn)。結(jié)果是,在這次斷態(tài)可靠性測(cè)試中,沒(méi)有一個(gè)被測(cè)試的器件發(fā)生故障。由于650V器件遵循與1200V器件相同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),因此預(yù)計(jì)會(huì)有相同的可靠性。


來(lái)源:英飛凌

作者:Friedrichs Peter, Vice President SiC,

Infineon Technologies AG 

翻譯:趙佳



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