干貨 | 碳化硅可靠性驗證要點

本文作者：Catherine De Keukeleire，安森美（onsemi）寬禁帶可靠性與質(zhì)量保證總監(jiān)

從MOSFET 、二極管到功率模塊，功率半導(dǎo)體產(chǎn)品是我們生活中無數(shù)電子設(shè)備的核心。從醫(yī)療設(shè)備和可再生能源基礎(chǔ)設(shè)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(shè)備的持續(xù)運行。

第三代寬禁帶（WBG）解決方案是半導(dǎo)體技術(shù)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(nèi)顯著減少損耗并加快開關(guān)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(shù)可靠性水平之前，對從Si到SiC的轉(zhuǎn)換猶豫不決。但是，等待本身也會帶來風(fēng)險--由于碳化硅可提高性能，推遲采用該技術(shù)可能會導(dǎo)致喪失市場競爭優(yōu)勢。

在本文中，我們將探討SiC半導(dǎo)體產(chǎn)品如何實現(xiàn)高質(zhì)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(dǎo)體有何不同？

在化學(xué)層面上，Si和SiC的區(qū)別僅僅是增加了碳原子。但這導(dǎo)致SiC的晶圓具有更堅硬的纖鋅礦型原子結(jié)構(gòu)，相比之下，Si的原子結(jié)構(gòu)為較弱的金剛石型。這種結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)致半導(dǎo)體從絕緣狀態(tài)切換到導(dǎo)電狀態(tài)的閾值更高。第三代半導(dǎo)體的開關(guān)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(dǎo)體的開關(guān)閾值介于0.6 eV和1.5eV之間。(圖1）

圖1：寬禁帶物理特性

就性能而言，寬禁帶（WBG）半導(dǎo)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(dǎo)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(shè)計的效率，并促進電動汽車和可再生能源轉(zhuǎn)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?。?、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）

Material Properties 材料特性

圖2：碳化硅應(yīng)用優(yōu)勢

了解半導(dǎo)體可靠性

MOSFET、二極管或功率模塊發(fā)生故障會帶來災(zāi)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(guān)鍵能源基礎(chǔ)設(shè)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(guān)重要。

典型的半導(dǎo)體要在相當大的負載和應(yīng)力下工作，這一點在高壓SiC應(yīng)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(dǎo)致半導(dǎo)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(dǎo)致"導(dǎo)通"電阻增加，從而降低閾值電壓，減慢開關(guān)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?qū)艠O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(dǎo)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(yīng)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(yīng)，但即使是減弱了的動態(tài)應(yīng)力仍會影響器件的可靠性。

由于半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)本身是其運行的關(guān)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(fù)的熱循環(huán)會導(dǎo)致元件損壞。

雙極性老化

由SiC MOSFET體二極管應(yīng)力引起的雙極性老化，可能導(dǎo)致“導(dǎo)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(guān)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(shè)計外延層并在生產(chǎn)過程中進行掃描可以預(yù)防這種激活。

確保半導(dǎo)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(yīng)用的性能要求，就必須針對SiC結(jié)構(gòu)量身定制廣泛的質(zhì)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(guān)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(chǔ)與合作

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

為了加深對碳化硅材料失效模式的了解，安森美的質(zhì)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(yīng)用測試和失效分析的人員。通過與世界各地的大學(xué)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(zhì)量認證

晶圓質(zhì)量認證（也稱為內(nèi)在質(zhì)量認證）主要關(guān)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(nèi)在高可靠性水平。這或許是任何SiC可靠性中最關(guān)鍵的因素，因為晶圓缺陷既可能導(dǎo)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(shù)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(guān)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(yīng)用測試）的質(zhì)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(zhì)量的一種直接而有效的方法，與柵極氧化物厚度無關(guān)。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(nèi)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(nèi)在性能對比測試結(jié)果。

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

在比較內(nèi)在QBD的性能（與柵極氧化物厚度無關(guān)）時，在相同標稱厚度下，安森美平面SiC的內(nèi)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(zhì)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(shè)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(yīng)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(guān)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(yīng)力）

即使采用保守的模型，在柵極電壓為21V的情況下，預(yù)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(nèi)部以及與獨立的學(xué)術(shù)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(yīng)力測試和BTI老化測試在內(nèi)的全套測試流程，構(gòu)成了一種廣泛的跨職能方法體系，旨在對晶圓到最終應(yīng)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(guān)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(shè)了先進的電動汽車系統(tǒng)應(yīng)用實驗室，進一步擴大其應(yīng)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(shè)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(shù)

大規(guī)模采用SiC還將面臨一些挑戰(zhàn)，例如半導(dǎo)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(yīng)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(yīng)用，包括電動汽車和可再生能源轉(zhuǎn)換器，SiC技術(shù)應(yīng)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(yīng)用級解決方案極具挑戰(zhàn)性，但SiC技術(shù)卻可以做到這一點。