学术报告：SiC MOSFET栅氧可靠性及故障率降低研究

作者及机构
本研究的两位主要作者为Thomas Aichinger（隶属Infineon Technologies Austria AG）和M. Schmidt（隶属Infineon Technologies AG）。论文以会议论文形式发表于2020年4月的IEEE国际可靠性物理研讨会（IRPS），DOI编号为10.1109/irps45951.2020.9128223。

学术背景
研究领域聚焦于宽禁带半导体器件可靠性，具体针对碳化硅（SiC）金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的栅氧（gate-oxide）可靠性问题。SiC MOSFET因其高耐压、高温工作能力被视为下一代功率器件的核心，但长期以来其栅氧早期失效问题阻碍了商业化进程。与硅（Si）技术相比，SiC/SiO₂界面存在更高的缺陷密度，导致器件在应用中出现“早期失效”（extrinsic failures）。本研究旨在通过电学筛选（electrical screening）技术降低故障率，并验证工业级SiC沟槽MOSFET（trench MOSFET）的可靠性是否可媲美传统Si器件。

研究流程与方法
1. 问题定义与理论框架
研究首先对比了Si与SiC MOSFET的栅氧本征可靠性（intrinsic reliability），通过时间依赖介电击穿（TDDB, Time-Dependent Dielectric Breakdown）测试验证两者在高压下的击穿特性相似（图1）。但SiC器件因材料缺陷存在更高的“外因失效”概率（1-10%），需通过筛选剔除缺陷器件。

1. 电学筛选技术开发

   • 筛选原理：施加高于工作电压的栅极脉冲（gate-voltage pulse），利用电场加速缺陷击穿，淘汰潜在弱器件。
     
   • 关键参数：筛选效率（η_screen）与电压比（Vgs,screen/Vgs,use）强相关（图4）。例如，若工作电压为18V，仅采用36V（2倍）筛选仅能降低故障率1个数量级，需更高电压比（如3-4倍）才能实现ppm级可靠性。
     
   • 技术限制：高筛选电压需更厚的栅氧层（70nm vs. 40nm本征需求），导致导通电阻（R_on）增加，需权衡可靠性与性能（公式2-3）。

2. 马拉松应力测试（Marathon Stress Test）

   • 设计目的：量化筛选后器件的极低外因失效概率（如ppm级）。
     
   • 实验设置：
     
     • 样本量：每组1000个1200V SiC trench MOSFET，共3组（总计3000个器件）。
       
     • 条件：150°C下施加-15V/+25V/+30V栅压，持续100天（图7-8）。
       
     • 创新设备：单个炉膛并行测试168个器件（6器件/封装×21封装/板×8板/炉），实现高通量测试。
       
   • 数据分析：采用韦伯分布（Weibull distribution）建模失效概率，通过线性E模型（linear E-model）将高压数据转换为工作条件（18V）下的寿命预测（图10）。

主要结果
1. 本征可靠性验证：SiC与Si MOSFET在相同氧化层厚度下表现出相似的TDDB特性（图1b），驳斥了“SiC/SiO₂界面固有弱点”的假设。
2. 筛选效率验证：最优筛选组（Group 3）在+30V应力下仅1例失效，等效至18V工作条件时20年故障率<1ppm（图10），达到Si IGBT水平。
3. 缺陷机制：外因失效源于局部氧化层减薄（图3），如衬底缺陷或金属污染，筛选通过高电场加速其暴露。
4. 性能-可靠性权衡：70nm厚栅氧虽增加约20%导通电阻，但为高压筛选提供安全裕度，避免器件退化（如阈值电压漂移）。

结论与价值
1. 科学意义：
- 明确了SiC栅氧失效的双重机制（本征vs.外因），提出外因失效主导器件寿命。
- 开发了基于韦伯统计的量化模型，为高可靠性设计提供理论工具。
2. 工业应用：
- 通过电学筛选将SiC MOSFET的早期故障率从1-10%降至ppm级，推动其大规模商业化。
- 马拉松测试方法为极低失效率验证树立新标准，可扩展至其他宽禁带器件。

研究亮点
1. 方法创新：首创“马拉松应力测试”，通过超长时、大样本量实验解决ppm级失效的统计难题。
2. 技术突破：揭示高压筛选与栅氧厚度的定量关系，指导工艺优化。
3. 跨学科价值：融合材料科学（SiC缺陷）、统计学（韦伯分析）及功率电子学（器件设计），为可靠性研究提供范式。

其他发现
研究指出，高温老化（burn-in）虽可提升筛选效率，但会引发阈值电压不稳定性（Bias Temperature Instability, BTI），而短时高压脉冲筛选可避免此问题（引用[10]）。这一发现对量产测试流程优化具有直接指导意义。