一种用于评估SiC MOSFETs复合退化机制的分离方法的发展

《Microelectronics Reliability》：Development of a separation method for evaluating composite degradation mechanisms in SiC MOSFETs

　　张浩然|杨睿|田博文|蔡雨萌|孙鹏|何塞·奥尔蒂斯·冈萨雷斯|季冰|赵志斌•针对栅氧化层、体二极管以及键合线退化建立了等效测试方法。•VTH被确认为栅氧化层退化的有效指示参数。•传统参数无法区分体二极管退化与键合线疲劳。•ΔRDS_on的栅压依赖性有助于区分体二极管退化与键合线疲劳。•本文提出了用于复合退化特征分析的实际流程。

引言
与硅基IGBT相比，碳化硅基MOSFET因其较高的最大允许工作温度、更高的阻断电压、更快的开关频率以及更低的损耗等优点，在电动汽车驱动系统、光伏变换器以及航空航天电源领域具有广阔的应用前景[1]、[2]。然而，随着碳化硅MOSFET的快速普及，其在实际应用中会面临严重的电应力以及热机械应力，这引发了对其长期可靠性的担忧[3]。因此，为了为技术改进提供依据，并减少器件中的破坏性故障，有必要在真实的工作条件下评估其长期可靠性并分析其退化机制[4]。

碳化硅MOSFET的主要可靠性问题可分为芯片级退化与封装级退化两类。芯片级退化主要包括栅氧化层退化以及体二极管双极退化，而封装级退化则主要涉及键合线疲劳以及焊料层退化[3]。由于碳化硅与二氧化硅界面质量较差，栅氧化层退化一直是碳化硅器件中亟需解决的可靠性问题。器件的正负栅偏压会导致电荷界面捕获电子或空穴，进而引发阈值电压不稳定。正的VTH变化会增加导通损耗和结温，而负的VTH变化则可能引发寄生导通现象[5]、[6]、[7]。体二极管双极退化是由第三象限导通引发的常见失效机制[8]，其根本原因在于体二极管反向导通时漂移层内的电子-空穴复合。这种复合能量会促使基面位错转变为三角形堆垛缺陷，从而降低体二极管的性能[9]、[10]。键合线疲劳是功率器件中最常见的失效机制之一[11]，其产生的原因是不同材料之间的热膨胀系数不匹配[12]、[13]。在实际应用中，碳化硅MOSFET的严重键合线疲劳不仅可能导致开路故障，还会因过热而加速器件退化。而焊料层退化则会显著影响器件的热阻，可通过相关热参数进行评估[14]。

在真实工作条件的综合应力作用下，上述各种退化机制会同时发生且彼此紧密关联。栅氧化层退化与体二极管双极退化都会增加导通损耗，进而提升结温[3]。较高的结温又会进一步加剧不同材料间的热膨胀系数差异，从而加速封装级退化，如键合线疲劳和焊料层老化。反之，封装级退化不仅会增加器件损耗，还会影响散热效果，进一步提升热阻，进而使芯片温度进一步上升[15]、[16]。更高的温度再加上可能变化的电应力，会加剧栅氧化层中的陷阱充电以及体二极管区域的缺陷扩展，从而形成电-热-机械应力相互作用的正反馈循环。最终，这种耦合效应会导致器件性能加速退化并引发故障。因此，能够区分多种退化机制并找出碳化硅MOSFET的薄弱环节，对于提升器件可靠性至关重要。

目前用于区分复合退化机制的方法主要侧重于直流功率循环测试中的栅氧化层退化与封装级退化。焊料层退化则可通过封装相关的热参数进行表征[3]，在经过校准后，这类参数不会受到栅氧化层退化及键合线疲劳的影响。对于键合线疲劳和栅氧化层退化，由于它们分别会影响封装电阻和通道电阻，而这二者都是导通电阻的组成部分，因此导通电阻可以用来表征这两种退化机制。此外，通过施加不同的栅压，改变通道电阻的比例，也可以将这两种退化机制区分开来[17]、[18]。另外，体二极管的正向电压降也可用于区分键合线疲劳与栅氧化层退化。当器件处于第三象限工作时，施加足够负的栅压会使通道被切断，所有电流都只能通过体二极管流动。在这种状态下，体二极管的电压降不再受栅氧化层退化的影响，只会随着封装电阻的增加而呈正比上升[19]。

然而，直流功率循环测试通常仅限于第一象限导通，一般不涉及第三象限工作状态，因此无法反映实际工作条件下的体二极管双极退化现象。此外，尽管有一些研究尝试模拟交流功率循环等真实工况，但仍然主要采用为直流功率循环开发的退化表征方法[20]。实际上，体二极管双极退化会导致器件漂移区的电阻增加，进而影响导通电阻和体二极管电压降。因此，那种仅考虑栅氧化层退化与封装级退化影响、通过导通电阻和体二极管电压降来区分两种退化机制的方法，在实际工作条件下并不适用。如何为碳化硅MOSFET在真实应用中的复合退化机制找到有效的区分方法，至今仍是一个亟待解决的问题。

为此，本文研究了在实际工作条件下，用于区分碳化硅MOSFET中栅氧化层退化、体二极管退化以及键合线疲劳的解耦方法。由于在实际工作条件的综合应力作用下，多种退化机制会同时出现，很难直接确定单一的失效机制。而焊料层退化主要体现在热特性上，可以通过与热阻相关的方法独立进行评估。本文提出了一种用于区分这三种退化机制的等效退化评估方法，通过分析器件特性参数的变化，提出了一种用于区分复合退化机制的方法。本文的结构如下：第二部分详细介绍了实验装置及等效老化流程，包括为选择性诱发体二极管双极退化、键合线疲劳以及栅氧化层退化而设计的加速寿命测试。第三部分展示了关键参数的演变情况，并分析了这些参数与所诱发的退化机制之间的关系。第四部分探讨了体二极管双极退化与键合线疲劳之间的耦合关系，进而提出了一种综合解耦方法，用于区分栅氧化层退化、体二极管双极退化以及键合线疲劳，同时阐明了该解耦方法的物理机制。最后，第五部分对全文内容进行了总结。

特定退化机制的加速寿命测试方法
本文采用了业内广泛认可的用于检测特定退化机制的加速寿命测试方法，分别用于研究键合线疲劳、栅氧化层退化以及体二极管双极退化。具体而言，键合线疲劳是通过拆开器件后再机械切断部分源极键合线来模拟的[21]；栅氧化层退化则是通过高温栅偏压测试来加速其退化的[22]；而体二极管双极退化则是通过施加正向电流来诱发的。

参数退化测试结果
本部分展示了三颗被置于等效退化测试环境中的器件（DUT1、DUT2和DUT3）的测试结果。

提出的分离方法
后续分析研究了在不同栅压下导通电阻的特性。图14展示了栅压为15伏和19伏时的ΔRDS_on-ID曲线，ΔRDS_on的表达式如公式（4）所示：
ΔRDS_on=RDS_on(老化后)?RDS_on(初始值)
其中RDS_on(0)为初始导通电阻，RDS_on(老化后)为退化后的导通电阻。表IV列出了图14中所使用的符号含义，其中“A-B”表示根据老化顺序，状态A相对于参考状态B的变化情况。

结论
为了解决碳化硅MOSFET在复合应力作用下的复合退化机制分离问题，本文提出了一种方法，可用于区分栅氧化层退化、体二极管双极退化以及键合线疲劳。主要结论如下：
1）建立了一种等效退化测试方法，可选择性、依次诱发特定的退化机制。针对体二极管双极退化、键合线疲劳以及栅氧化层退化，分别设计了专门的等效测试方法。

作者贡献说明
张浩然：概念设计、研究方法、验证、形式分析、实验研究、数据整理、初稿撰写、可视化处理。杨睿：验证、实验研究。田博文：验证、实验研究。蔡雨萌：概念设计、资源协调、论文审阅与编辑、项目监督、项目管理、资金申请。孙鹏：概念设计、资源协调、论文审阅与编辑、项目监督、项目管理、资金申请。何塞·奥尔蒂斯·冈萨雷斯：

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金的支持，项目编号为52507004。