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_69页_8mb

报告摘要

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

核心内容概览

本白皮书详细探讨了英飞凌在 SiC 功率半导体器件可靠性方面的技术路径，涵盖了 SiC 特有的失效模式、相关试验流程、以及如何通过筛查和建模方法确保高现场可靠性。英飞凌在 SiC 技术领域已有超过 25 年的现场应用经验，并部署了数千万颗 SiC MOSFET，其可靠性已达到行业领先水平。

主要观点

SiC 与 Si 的差异：SiC 材料特性与运行模式与 Si 存在显著差异，因此需要额外的可靠性试验。
栅极氧化层可靠性：SiC MOSFET 的栅极氧化层早期失效问题已逐步解决，可靠性显著提升。
筛查与建模：英飞凌开发了多种筛查方法（如马拉松应力试验、快速栅极电压步进应力试验）以识别外在缺陷，并建立了可靠的建模方法。
偏压温度不稳定性（BTI）：SiC 的 DC BTI 漂移比 Si 稍高，但英飞凌通过优化工艺，实现了优异的控制。
栅极开关不稳定性（GSI）：GSI 是一种 SiC 特有的退化机制，主要由高频开关引起，需在可靠性评估中考虑。
抗宇宙射线能力：SiC 在抗宇宙射线方面表现优异，其失效率与雪崩击穿电压呈指数关系，可通过优化设计提升鲁棒性。

关键信息总结

1. SiC MOSFET 栅极氧化层可靠性

外在缺陷：SiC 的外在缺陷（如氧化层变形、金属杂质）导致早期失效概率更高。
筛查方法：英飞凌采用高栅极电压筛查以识别外在缺陷，从而减少现场失效率。
马拉松应力试验：用于评估 SiC MOSFET 在接近实际运行条件下的外在失效行为，通过多次试验迭代优化加速模型。
快速栅极电压步进应力试验：用于快速评估不同厂商 SiC MOSFET 的可靠性，比马拉松试验更适用于比较。
可靠性的提升：通过优化栅极氧化层厚度、屏蔽设计和筛查流程，英飞凌实现了与 Si 技术相当的栅极氧化层可靠性。

2. 偏压温度不稳定性（BTI）

DC BTI：在恒定栅极偏压条件下，阈值电压漂移可能对长期运行产生影响。
SiC 与 Si 的差异：SiC 的带隙更大，导致 PBTI 漂移幅度略高，但通过优化工艺，英飞凌实现了良好的控制。
建模方法：使用经验幂律模型对 DC BTI 进行建模，以预测漂移行为。
竞品对比：英飞凌在 NBTI 方面表现最佳，其漂移幅度远低于其他厂商。

3. 栅极开关不稳定性（GSI）

GSI 机制：由高频开关引起的退化机制，不同于传统的 BTI。
影响因素：与开关频率、电压电平、温度、转换时间有关。
建模与测试：英飞凌开发了经验模型并进行了相关试验，以评估 GSI 对阈值电压和导通电阻的影响。
应用影响：在高开关频率的应用中，GSI 的影响更为显著，需特别关注。

4. 抗宇宙射线能力

宇宙辐射影响：高能宇宙粒子可能引发 SiC 器件失效，表现为“单粒子烧毁”（SEB）。
失效机制：在反向偏压条件下，宇宙射线可能引起局部电场变化，进而导致雪崩击穿。
失效率与电压关系：失效率与雪崩击穿电压呈指数关系，可通过优化器件设计来降低。
高海拔影响：中子通量随海拔升高呈指数增长，因此在高海拔应用中需特别考虑宇宙射线影响。

关键试验与方法

马拉松应力试验：用于检测外在栅极氧化层失效，通过长时间施加接近实际运行条件的应力，提高失效预测准确性。
快速栅极电压步进应力试验：用于快速评估不同厂商 SiC MOSFET 的可靠性，适用于小样本量。
DC BTI 测试：通过 MSM（测量 - 应力 - 测量）流程评估阈值电压漂移，采用预处理方法提高测试可重复性。
GSI 测试：通过高频开关条件下的应力测试，评估阈值电压和导通电阻的漂移行为。
抗宇宙射线测试：通过质子加速器和中子源进行加速试验，评估宇宙射线对器件的失效影响。

关键结论

英飞凌的 SiC MOSFET 在栅极氧化层可靠性方面已达到与 Si 技术相当的水平。
通过优化工艺和设计，英飞凌有效降低了 SiC 器件的 DC BTI 和 GSI 漂移。
马拉松应力试验和快速栅极电压步进应力试验是评估 SiC 器件可靠性的两种关键方法。
抗宇宙射线能力是 SiC 器件的重要特性，其失效率与雪崩击穿电压呈指数关系，可通过设计优化来提高鲁棒性。

可靠性保障措施

筛查流程：通过高栅极电压筛查剔除有缺陷的器件，确保现场可靠性。
模型优化：基于试验数据不断优化加速模型，提高预测准确性。
屏蔽设计：采用 JFET 屏蔽结构，降低关断状态下的电场影响，提高器件稳定性。
质量认证：针对不同应用条件，进行超越行业标准的测试，如动态湿度试验、秒级功率循环试验等。
品控体系：英飞凌通过完善的品控体系确保 SiC 器件的高可靠性，包括工艺优化、材料选择和测试方法改进。

行业标准与英飞凌实践

JEDEC 标准：JEP194 推荐使用马拉松应力试验和快速栅极电压步进应力试验进行 SiC 栅极氧化层可靠性评估。
英飞凌贡献：在 SiC 可靠性研究方面，英飞凌已作出大量贡献，包括出版物、专著章节和会议文献。
行业领先：凭借多年经验，英飞凌在 SiC 器件可靠性方面处于行业领先地位，其 FIT 率远低于竞品。

总结

英飞凌在 SiC 功率半导体器件可靠性方面采取了多项创新性措施，包括优化栅极氧化层设计、开发高效的筛查技术、建立可靠的模型以预测失效行为，以及针对不同应用条件进行定制化的可靠性评估。通过这些措施，英飞凌确保了其 SiC MOSFET 在各种应用场景下的高可靠性，并为客户提供了一条安全可靠的技术路径。

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