今天这篇文章来自九州产业大学，主要内容是SiCMOSFET器件BTI及TDDB可靠性研究，
先介绍背景
SiCMOSFET已成功应用于轨道交通车辆，目前也正逐步用于电动汽车，
由于电动汽车缺乏轨道交通车辆所具备的冗余系统，因此要求SiCMOSFET减少缺陷、提升可靠性。
基于此，本文对比了两款商用SiCMOSFET器件在偏压温度不稳定性（BTI）、经时介质击穿（TDDB）两方面的可靠性，
两款器件A和B，均为平面栅结构，栅氧化层厚度45~46nm，
PBTI和NBTI均在200℃环境下进行，TDDB则在-60℃、室温以及200℃环境下进行。
图片来源：网络
BTI结果如上，左边是PBTI（VGS=25V），右边是NBTI（VGS=-15V），
无论正负栅偏，两种器件的Vth漂移基本在前200h完成，之后大体不变（趋于饱和），
这也是普遍现象，
因为BTI引起的Vth漂移，主要是因为载流子被栅氧化层或界面处的陷阱俘获，这些被俘获的电荷改变了栅极对沟道的控制能力，在电性能上就表现为Vth漂移，
比如PBTI主要是电子被俘获，NBTI主要是空穴被俘获，
然而陷阱数量是有限的，且在空间和能级上存在一定的分布，
可以简单认为，前200h，容易俘获载流子的那些陷阱已经被填充殆尽，以至于这段时期Vth发生显著漂移，
再往后，剩下的都是很难填充的陷阱，因此Vth漂移趋于饱和。
再说上图，
A在PBTI下表现出更低的Vth漂移，在NBTI下表现出更高的Vth漂移，
为什么会这样？
已有文献指出，更高的氮浓度会导致更低的PBTI阈值电压漂移、更高的NBTI阈值电压漂移，
作者因此推测，器件A的栅氧界面氮浓度更高，
换言之，A经历了程度更重的NO退火。
图片来源：网络
TDDB结果如上，（a）为击穿时间tBD，（b）为击穿电荷量QBD，
QBD表示累积电荷密度，即单位面积上导致栅氧化层击穿所需的电荷量。
无论AB，都用3只样品。
A的三只样品的tBD离散很大，QBD随温度上升单调降低，
B的tBD和QBD均表现出异常的温度依赖性，即在室温下击穿时间最长。
图片来源：网络
威布尔分布如上，
左图是VGS=47V、室温下，A和B的结果，
右图是VGS=46V、室温以及-60℃下，B的结果，
从左图可看到，A的威布尔斜率小于B，
这里解释一下威布尔斜率，一般称为Weibullshapefactor，也叫形状因子，用β表示，
β＜1，表示“早期故障期”，故障率随时间下降，通常由制造缺陷、工艺问题引起，
β=1，表示“随机故障期”，故障率恒定，此时Weibull分布退化为指数分布，故障由外部随机冲击或过应力引起，
β＞1，表示“耗损故障期”，故障率随时间增加，通常由磨损、老化、疲劳等内在退化机制引起。
β越大，意味着故障时间越集中，分布越窄，产品一致性越好，但也意味着一旦开始耗损，故障加速的趋势更明显。
A的威布尔斜率小于B，意味着在此条件下，B的击穿时间分布更集中，间接证明B的栅氧化层质量更加均匀，
而A的击穿时间分布更分散，间接证明其栅氧化层存在更多或更不均匀的缺陷，导致一些器件较早失效，另一些坚持较久，
这也与上一张图中，A的三只样品分布较为离散相映证。
再看右图，左边那条线是-60℃，右边那条线是室温，
明显看到-60℃下，B的早期失效显著增多，
这里解释一下，
SiCMOSFET的栅氧缺陷分为两部分：外在缺陷和内在缺陷。
图片来源：网络
外在缺陷，指在制造过程中引入的局部缺陷，如氧化层的局部变薄、杂质颗粒的掺入等，
后果是，局部电场增强，增加击穿风险。
外在缺陷是早期失效的主要原因。
内在缺陷，指材料本身缺陷，如材料中的陷阱态、氧化层的不均匀性。
后果是，阈值电压漂移、导通电阻增加。
内在缺陷是长期使用性能退化的主要原因。
TDDB实验中的早期失效，主要由外在缺陷引起，与栅氧主体质量无关，通过短时筛选既可剔除，
而后期失效才代表栅氧质量，代表器件栅氧的真正寿命，
从B的曲线看，-60℃下后期斜率与室温曲线斜率相似，这才能代表栅氧寿命。
这也和第二张图相互映证，为什么-60℃下，B的tBD和QBD反而小于室温相应值？
作者推测，-60℃下，某些外在缺陷被激活，导致出现早期失效，从而将tBD和QBD拉低，而室温下，这些外在缺陷反而未被激活。
图片来源：网络
如上，VGS=47V、室温下，两种器件栅电流随时间的变化，左图为A，右图为B，
A明显下降，B缓慢上升，
已有研究提出了SiO2/Si界面中，因电荷注入引发的动态应力效应，这一理论可通过IG的变化解释TDDB实验的异常现象，
当IG处于下降阶段，QBD较大的样品在恒压应力测试中表现出的tBD远高于预期，
反之，当IG处于上升阶段，QBD较大的样品承受更强应力，导致tBD缩短。
前者原因是电荷俘获形成的电场屏蔽效应，使得栅氧实际承受的场强低于预期，
后者原因是陷阱/损伤不断产生，新产生的导电路径或缺陷增强局部电场，使得栅氧实际承受的电应力高于预期。
第二张图中，为什么A的三只样品离散那么大，这可能也是重要原因，
IG下降导致的电场屏蔽效应，使得某只样品的栅氧多苟延残喘了一段时间，远高于其他样品。
小结：
1、对比两款商用SiCMOSFET器件在偏压温度不稳定性（BTI）、经时介质击穿（TDDB）可靠性，
2、无论正负栅偏，两种器件Vth漂移基本在前200h完成，之后大体不变，
可以简单认为，前200h，容易俘获载流子的那些陷阱已经被填充殆尽，以至于这段时期Vth发生显著漂移，
再往后，剩下的都是很难填充的陷阱，因此Vth漂移趋于饱和。
3、A在PBTI下表现出更低的Vth漂移，在NBTI下表现出更高的Vth漂移，作者推测A经历了程度更重的NO退火，界面处氮浓度更高，以至于如此。
4、-60℃下，B的早期失效显著增多，
作者推测，-60℃下，B的某些外在缺陷被激活，导致出现早期失效，从而将tBD和QBD拉低，而室温下，这些外在缺陷反而未被激活。
如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系
我们将为您提供高效、贴心的解决方案！
咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
点击下方图片免费领取产品规格书
想深入了解碳化硅功率器件产品知识？点击→「碳化硅（SiC）课堂」获取详情！
