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SiC MOSFET栅极氧化物可靠性研究：工业级器件的失效率降低方法

一、作者与发表信息

本研究由Thomas Aichinger（隶属Infineon Technologies Austria AG）与M. Schmidt（隶属Infineon Technologies AG）合作完成，发表于2020年4月的IRPS（IEEE International Reliability Physics Symposium）会议，DOI编号为10.1109/irps45951.2020.9128223。

二、学术背景

研究领域：宽禁带半导体器件可靠性，聚焦碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的栅极氧化物（gate-oxide）可靠性问题。

研究动机：SiC MOSFET因其高耐压、低导通电阻等优势被视为下一代功率器件的核心，但其栅极氧化层的早期失效（extrinsic failures）问题长期阻碍商业化进程。与硅（Si）技术相比，SiC MOSFET的栅极氧化物缺陷密度更高，导致初始失效概率显著增加。本研究旨在通过电学筛选（electrical screening）方法降低失效率，并验证其工业可行性。

关键背景知识：
1. 失效机制：SiC MOSFET的失效分为本征失效（intrinsic failures，由SiO₂物理击穿导致）和非本征失效（extrinsic failures，由工艺缺陷如衬底缺陷、金属杂质等引发局部电场增强导致）。
2. 筛选技术：借鉴硅技术的栅极应力测试（gate stress test），通过高压脉冲筛选剔除缺陷器件。

三、研究流程与方法

研究分为以下关键步骤：

1. 本征与非本征可靠性对比分析

• 实验设计：对SiC与Si功率MOSFET进行时间依赖介电击穿（TDDB, Time-Dependent Dielectric Breakdown）测试，比较两者在相同电场强度下的击穿特性。
  
• 样本与参数：测试40-80 nm厚栅氧的商用器件，应力温度140-150°C，电场范围4-14 MV/cm。
  
• 关键发现：SiC与Si器件的本征击穿特性相似，均符合线性电场模型（linear E-model），表明SiC栅氧的固有可靠性并非瓶颈。
  

2. 电学筛选效率建模

• 筛选原理：通过高压脉冲（如36 V，远高于典型工作电压18 V）施加短时应力，诱发缺陷器件提前失效。
  
• 数学模型：提出筛选效率（screening efficiency, η_screen）公式，量化筛选后失效概率的降低程度：
  [
  P(t{\text{use}} + t{\text{lifetime}}) = η{\text{screen}} \cdot P(t{\text{lifetime}})
  ]
  
• 参数优化：筛选效率与电压比（(V{\text{GS,screen}}/V{\text{GS,use}})）呈指数关系，需通过厚栅氧（≥70 nm）支持高压筛选。
  

3. 马拉松应力测试（Marathon Stress Test）

• 目的：验证筛选后器件的长期可靠性，评估极低失效率（ppm级）。
  
• 实验设计：
  
  • 样本量：每组1000个1200V SiC沟槽MOSFET，共3组（总计3000个器件）。
    
  • 测试条件：150°C下施加不同栅压（-15 V/+25 V/+30 V），持续100天。
    
  • 创新设备：开发高密度测试系统，单炉可并行测试1008个器件（6器件/封装 × 21封装/板 × 8板/炉）。
    
• 结果：最优组（Group 3）在30 V应力下仅1例失效，25 V及-15 V下零失效，等效18 V工作电压下20年失效率低于10 ppm。
  

4. 性能与可靠性权衡分析

• 厚栅氧的代价：增加栅氧厚度（(d{\text{ox}})）会提高沟道电阻（(R{\text{ch}})），需通过器件面积优化补偿：
  [
  R{\text{ch}} \propto \frac{d{\text{ox}}}{W \cdot μg \cdot (V{\text{GS,use}} - V_{\text{TH}})}
  ]
  

四、主要研究结果

1. 本征可靠性：SiC与Si的栅氧击穿特性无显著差异，厚栅氧（40-80 nm）可满足20年寿命需求。
   
2. 筛选效率：电压比为3时，筛选效率可达99.9%，将初始失效率从1%降至ppm级。
   
3. 马拉松测试：实证表明优化后的SiC MOSFET可实现与Si IGBT相当的可靠性（20年失效率<10 ppm）。
   

五、结论与价值

科学价值：
- 明确了SiC栅氧失效的双机制（本征/非本征），并建立量化筛选模型。
- 提出马拉松测试作为评估极低失效率的新方法，填补了传统TDDB测试在低电场区的空白。

应用价值：
- 为工业界提供可量产的可靠性提升方案，推动SiC MOSFET在新能源汽车、电网等高压场景的应用。

六、研究亮点

1. 创新方法：马拉松测试通过大规模样本（>1000）和长时应力（100天）精准量化ppm级失效率。
   
2. 跨技术迁移：将Si的栅极筛选技术适配至SiC，结合厚栅氧设计解决材料固有缺陷问题。
   
3. 全链条验证：从理论建模（E-model）、筛选优化到实证测试，形成闭环可靠性验证体系。
   

七、其他补充

研究还指出，筛选电压的升高可能引发阈值电压漂移（bias temperature instability），需在筛选参数设计中权衡。这一发现为后续工艺优化提供了方向。

（报告字数：约1800字）