英飞凌:SiC功率器件可靠性白皮书(5)- 关态下的栅氧可靠性

由于SiC的材料特性，其本身可承受较高的内部电场，SiC MOSFET的栅氧层在导通和关断状态（即在较高V_DS下进行阻断时）都会受到应力作用，在阻断期间SiC中的高电场也会作用于栅氧，如果器件未采用合适的设计和屏蔽结构就可能引发失效，图14展示了CoolSiC^TM MOSFET在阻断状态下的栅氧电场分布，如图所示，栅氧中的电场主要受空穴的特性（宽度与掺杂浓度）以及沟槽深度的影响。为了在所有工作模式下维持较低的整体FIT率，器件必须通过类似JFET的屏蔽结构对沟槽区域进行有效屏蔽，以抵御阻断期间产生的高电场，这种屏蔽结构会增加器件的总导通电阻 (R_JFET)，且通常屏蔽能力越强，R_JFET越高，因此要在导通电阻与可靠性之间取得权衡。

为了验证关断状态下的电场不会导致CoolSiC™ MOSFET的栅氧FIT率显著增加，英飞凌开发了一套独立的关断状态马拉松应力试验方法。鉴于阻断条件下，电场会在高V_DS与负V_GS的共同作用下增强，所以该试验结合了这两个参数，这两个参数要始终保持在数据手册规定的范围内，以确保仅触发与实际应用相关的失效模式。

如前几章所述，通常情况下，与电场相关的栅氧FIT率主要由早期外在缺陷所决定，这一点在关断状态下同样适用，基于这一认识，英飞凌的关断状态测试同样被设计为一项马拉松应力试验，其特点是同时对数千个器件以及大面积的栅氧和边缘终端同时施加应力，从这方面来看，关断状态的马拉松应力试验与导通状态的马拉松应力试验是类似的，但区别在于：并非在源/漏极接地的条件下对栅极施加恒定的正电压，而是在关断状态和高温下，对器件施加较高的V_DS和负栅压V_GS。

根据关断状态马拉松应力试验结果（在数千小时的试验中没有任何失效），并结合多年现场应用经验，可以得出结论：英飞凌所采用的屏蔽结构设计具有很高的鲁棒性，关断状态下的栅氧失效不会对CoolSiC^TM MOSFET的整体失效率产生显著影响。

由于SiC材料的缺陷密度更大，向“Si 标准”的个位数ppm级失效率看齐仍然存在挑战。本章介绍了SiC MOSFET栅氧可靠性的基本方面，概述了通过栅压筛查降低现场失效率的概念。

为了评估工业级SiC沟槽式MOSFET 在典型运行条件（导通与关断）下的最大（非本征）现场失效率，英飞凌针对不同工作模式开发了马拉松应力试验，试验结果表明，通过优化器件工艺、采用鲁棒的屏蔽设计，以及高效的电气筛查，可以使工业级SiC MOSFET在所有运行模式下，达到与Si器件相媲美的栅氧可靠性。

为了比较数量有限、栅氧性能未知的器件栅氧可靠性（比如不同厂家生产的商用器件），我们又介绍了一种快速且通用的寿命终期 (EOL) 应力试验，尽管该基准测试在预测能力上不及马拉松应力试验，但其特别适用于比较不同厂商的SiC MOSFET的可靠性。通过对比研究中，证明了英飞凌CoolSiC^TM MOSFET 技术在栅氧可靠性方面的显著优势。