派恩杰基于SiC MOSFET栅极氧化层可靠性的前沿探索
可靠性试验背景
SiC功率器件凭借其高压、高频、高温和高功率密度的材料特性，在高效电能转换领域有巨大的市场。其中SiC MOSFET的发展最引人关注，可广泛应用于电源、光伏和新能源汽车等领域。
对MOSFET器件来说，栅氧可靠性水平是评测器件可靠性的重要部分。因此，SiC想要取代Si的应用，满足工业级以及车规级的可靠性需求，对SiC功率器件栅氧可靠性的探究是必不可少的。与Si材料相比，SiC材料具有更大的禁带宽度，因此2种材料的栅氧界面性质也有所不同，失效机制和检测方法也会不同。
TDDB(time-dependent dielectric breakdown)作为一种评测栅氧可靠性的实验方法，可以检测&评价MOSFET的栅氧质量，同时基于实验数据还可以建立栅氧使用寿命预测模型、栅氧不良品筛选模型等，满足器件的可靠性要求。
SiC MOSFET栅氧失效机理
对当前市面上满足高压应用的SiC功率器件来说，栅氧厚度普遍大于5nm，因此失效时不存在所谓的软击穿现象，为硬击穿。
其中，硬击穿的失效机理可分为内在失效(intrinsic failure)和外在失效(extrinsic failure)。
内在失效是由于固有缺陷导致的，即不存在任何外在缺陷，栅氧质量水平取决于材料本身（SiC/SiO2界面）；外在失效是由非固有缺陷造成的，可理解为在SiC/SiO2界面处或SiO2内部，由于微观瑕疵或缺陷引起的失效。
关于器件早期的失效原因是内在失效还是外在失效，一直饱受争论。
关于内在失效的机理，存在部分猜想：
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1) 早期失效是栅氧的内在失效造成的，是由于SiC/SiO2界面存在较大的Fowler-Nordheim隧穿电流。
对于相同电场，SiC MOSFET中的Fowler-Nordheim隧穿电流要比Si MOSFET高得多，因为SiC和SiO2之间的导带偏移小于Si和SiO2之间的导带偏移。
如图所示，在Si-SiO2界面中，导带偏移为3.2eV，而4H-SiC的导带偏移仅为2.7eV。二者在偏移量上0.5eV的差异使得相同电场下，4H-SiC/SiO2界面Fowler-Nordheim隧穿电流比Si/SiO2界面相应的Fowler-Nordheim隧穿电流大1.5倍。
然而，对于栅氧厚度为几十纳米范围内的器件，可以忽略这一点。对SiC MOSFET来说，Eox<3-5MV/cm时栅极隧穿电流可以忽略不计。因此这一猜想是不成立的。
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2） 热氧化过程中的碳原子影响了栅氧的性能，造成了内在失效。
在SiC的热氧过程中，消耗了一定比例的SiC，并释放含碳分子。如果碳被困在SiO2主体中，它可能会对氧化物的本征击穿特性产生影响。例如，捕获的碳可以作为形成渗滤路径的催化剂或影响Si-Si或Si-O键的局部偶极矩。
如果猜想成立，那么完全热生长的厚氧化物中，应该会在其制造过程中释放出更多碳，同时应该在某处存在更低的击穿电场。但是，没有实验证据可证明厚氧化物和普通氧化物存在这种差异。
同时，通过SIMS（二次离子质谱）或HR-TEM（高分辨率透射电镜）也并未在SiC的热氧化物中发现大量碳。因此，此猜想也可以排除。
为了探究外在失效是否起了主导作用，有研究人员在小面积的MOS capacitor上进行了TDDB试验。其中capacitor的面积足够小，可近似为不存在外在缺陷。结果发现，栅氧质量明显提高，与Si基材料的内在性能相同，使用寿命一致。
基于业内研究和学术报告，多数观点认为引起SiC MOSFET栅氧失效的原因为外在失效。
SiC MOSFET栅氧寿命预测模型
想要得到寿命预测模型，首先我们应当了解温度加速因子和电压加速因子的计算方式。
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1） 温度加速因子。
通常，我们使用阿伦尼乌斯模型来解释温度加速：
失效时间可表示为：
其中Ea为激活能，k为玻尔兹曼常数（8.617x10-5 eV），A为常数。
假设应力温度为TS，在该应力下寿命为τS，实际工作温度为TO，对应的预测寿命为τO，
则温度加速因子可表示为：
通过测试同一批次器件在不同温度下的使用寿命，即可提取计算出激活能Ea的值，从而可以得到每个温度对应的温度加速因子。
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2） 电压加速因子。
电压应力破坏机制比较复杂，器件的结构和类型不同，模型也会不同。
但对于MOSFET器件，尤其是对于测试耐电压应力的栅极氧化物可靠性，Eyring指数模型可以较好地预测使用寿命。
使用寿命τ可以表示为
其中A为常数，β为该电压应力下的电压加速系数。
假设应力电压为VS，在该应力下寿命为τs，实际工作电压为V0，对应的预测寿命为τO。
电压加速因子可表示为
通过测试同一批次器件在不同栅压下的使用寿命，即可提取计算出电压加速系数β的值，从而可以得到每个栅压对应的电压加速因子。
在测试时，所施加栅压值不能使得Eox>8MV/cm,否则将会出现overstress现象，影响模型精准性。
基于在不同电压和温度下的测试值，我们可以计算得知上述参数Ea和β。同时，我们可以用以下的曲线来检验测试数据的可靠性。
①浴盆曲线
因为主要失效机理为外在失效，实测数据绘制成的浴盆曲线通常只存在早期失效和随机失效区域，不存在老化失效区域。
其中， 失效率定义如下：
其中n为此次可靠性实验样品总数，t为可靠性实验的时长，r为到时间t为止失效的样品数，AF为加速因子，χ2为卡方分布，CL为卡方分布对应的置信等级。
②ln(-ln(1-F))-lnt曲线
大部分的器件测试结果都分布在斜率<1的外在失效区域。通常器件要求的使用寿命，即20yrs（ T=175℃，Vg=Vg,use）也分布在此区域。
③Failure function曲线
Failure function可表示为 
其中n为此次可靠性实验样品总数，t为可靠性实验的时长，r为到时间t为止失效的样品数
4)Hazard Function曲线
基于外在失效机理，器件测试结果为左边曲线。Hazard Function可表示为
其中n为此次可靠性实验样品总数，t为可靠性实验的时长，r为到时间t为止失效的样品数
PNJ SiC MOSFET栅氧寿命&筛选
同时，我们针对不合格的样品，建立了快速可靠的筛选机制，保证交付质量，满足客户对器件寿命的使用要求。
以P3M12080K4（1200V 80mΩ）为例，其在175℃条件下的使用寿命如图所示，Vg=15V时可达到万年级别，远超20年的寿命周期。
