英飞凌:SiC功率器件可靠性白皮书(1)- SiC MOSFET栅氧可靠性介绍

今天分享的是2025年10月英飞凌发布了第二版SiC功率半导体可靠性白皮书，相比于2020年的第一版增加了很多内容。计划分10期进行解读。

《英飞凌如何控制和保证基于SiC的功率半导体器件的可靠性白皮书》的中英文原文链接已放置在评论区。

过去十年SiC 技术已发展得基本成熟，SiC MOS 器件的栅极氧化层可靠性已逐步取得改进。SiC的栅氧可靠性可以使用Si技术的许多专业知识，例如基于SiC的SiO₂的物理击穿场强与Si 器件上的SiO₂相似。SiC MOSFET的栅氧可靠性之所以不如Si MOSFET，是由于“外在 (extrinsic)”缺陷导致的，这些外在的缺陷（或称为非本征缺陷）导致栅氧发生细微变形，致使局部栅氧变薄（图1），这些变形可能源自于外延层 (EPI) 或衬底 (Sub) 缺陷、金属杂质、颗粒或在器件制造过程中掺入到栅氧中的其他外来杂质。

SiC MOSFET结束流片时，因为具有更大数量的杂质缺陷，栅氧通常有更高的早期失效概率（图2）。

图2解读：图2是Weibull分布图，用来比较SiC和Si MOSFET的栅氧失效概率，可以看出SiC材料的缺陷多，从而导致SiC器件的外在失效概率高，所以必须要对SiC器件做高压筛查以筛除“临界”器件。

• 坐标轴：纵轴ln(-ln(1-F))是累积失效概率F的“双重对数变换”，这是Weibull分布的标准画法；横轴ln(t)表示时间t的对数。

• 两条虚线：表示SiC和Si MOSFET栅氧的外在 (extrinsic) 失效支线，SiC MOSFET的“虚线”比Si的要高4个单位，表示在相同时间下，SiC的失效概率远高于Si，这对应了文中所说的“SiC MOSFET的栅极氧化层的外在缺陷密度高出3-4个数量级”

• 陡峭的实线：表示内在（intrinsic）失效支线，器件使用时间足够长的时候，存在外在缺陷的器件都失效完了，就会进入到本征（内在）失效阶段。这条线非常陡峭（β值大），表示器件一旦进入本征失效阶段，失效概率就会急剧上升，这是由栅氧材料本身极限决定的，所以SiC和Si的这条支线相似。

• 临界与非临界区域：左侧临界区域表示在芯片的设计寿命内就可能失效，这很危险，必须将这些器件剔除掉，右侧的非临界区域表示器件在芯片设计寿命内不会失效，或者说器件的实际寿命大于设计寿命，是安全的。

在终测中筛除缺陷器件，通常需要对每个器件施加预定幅值和时间的高栅压应力脉冲，从而使具有关键外部缺陷的器件失效，而没有外部缺陷的，或只存在非关键外部缺陷的器件则不会受损，也不会出现电性能退化（如Vth或Ron），通过筛查的剩余器件具有更高的栅氧可靠性。

要想实现快速高效栅压筛查，栅氧必须比固有的本征寿命所需栅氧厚度要厚很多，栅氧越厚就越能使用比器件典型应用电压高很多的筛查电压，同时保证不损坏无缺陷器件。筛查电压与应用电压之比越大，筛查效率越高。通过在终测中剔除缺陷器件，客户面临的潜在可靠性问题就能被器件制造商微小良率损失所取代。

但是更厚的栅氧会导致MOS沟道电阻升高，因为MOS沟道电阻与栅氧厚度成正比，然而在SiC功率MOSFET 中，沟道电阻仅占导通电阻的一小部分，其余占比较大的部分包括JFET区、漂移区以及衬底电阻。高筛查效率带来的优异的栅氧可靠性，是以Ron略微增大为代价的，虽然难以避免这种在可靠性与性能之间进行的折中，但可以利用Ron和栅氧可靠性与栅极氧化层厚度的相关性不同的这一事实：随着栅氧厚度增加，栅氧可靠性呈指数级改善，Ron仅呈线性增加，且只影响沟道电阻。此外在漂移区电阻更为突出的高温条件下，略微加厚的栅氧所带来的性能损失反倒更小。

总之，使用较厚的栅氧只需牺牲一丁点儿性能就能显著提升筛查效率，从而提高整体可靠性。因此英飞凌从一开始就决定采用沟槽式MOSFET技术，其中一个原因是，沟槽器件与栅氧更厚的平面结构相比，在器件通态时栅氧上电场强度较小且沟道电导率明显更高。因此，较厚栅氧所带来的沟道电阻增加，在沟槽式器件中要小得多。因此英飞凌沟槽SiC MOSFET 能够采用更厚的栅氧以实现更高的筛查电压与可靠性，同时仍能保持极低的沟道电阻。

相比在高电压和室温条件下进行的栅极电压筛查，传统的栅极电压老化试验（burn-in）是一种不太理想的替代方案。老化试验通常使用更低栅压与更高温度进行更长时间的应力试验。

对比栅压筛查，老化试验的优势在于：由于电压水平大幅降低（通常甚至不到工作栅极电压的两倍），因此原则上也适用于栅氧更薄的SiC MOSFET。然而，即使应力持续时间更长、温度更高，老化测试也很难、甚至无法实现与栅极电压筛查类似的外在筛查效率。这是外在栅氧击穿的本质决定的：其对栅极电压水平呈指数依赖，应力持续时间与应力温度带来的加速作用则弱得多。

以图3为例，对于工作条件为V_GS=+18V, T_j,max=175°C的器件，与栅极老化试验（28V, 40min, 140°C）相比，栅压筛查（50V, 100ms, 25°C）所获得的外在筛查效率达到~50倍。换言之，要达到在50V和25°C条件下持续100ms的栅压筛查所实现的外在筛查效率，需要在28V和140°C条件下进行约1000h的老化试验。如此漫长的老化时间极为不利且成本高昂，并且在高偏压和高温条件下长期施加栅极应力，可能会导致阈值电压 (Vth) 和Ron发生严重漂移，众所周知，这种偏压温度不稳定性 (BTI) 会引发永久性的电参数退化。