SiC半导体产品如何实现高质量和高可靠性

本文作者：Catherine De Keukeleire，安森美（onsemi）宽禁带可靠性与质量保证总监

从MOSFET 、二极管到功率模块，功率半导体产品是我们生活中无数电子设备的核心。从医疗设备和可再生能源基础设施，到个人电子产品和电动汽车(EV)，它们的性能和可靠性确保了各种设备的持续运行。

第三代宽禁带（WBG）解决方案是半导体技术的前沿，如使用碳化硅（SiC）。与传统的硅（Si）晶体管相比，SiC的优异物理特性使基于SiC的系统能够在更小的外形尺寸内显著减少损耗并加快开关速度。

由于SiC在市场上相对较新，一些工程师在尚未确定该技术可靠性水平之前，对从Si到SiC的转换犹豫不决。但是，等待本身也会带来风险--由于碳化硅可提高性能，推迟采用该技术可能会导致丧失市场竞争优势。

在本文中，我们将探讨SiC半导体产品如何实现高质量和高可靠性，以及SiC制造商为确保其解决方案能够投放市场所付出的巨大努力，这些努力不仅提升了产品性能，还确保了卓越的可靠性。

SiC半导体有何不同？

在化学层面上，Si和SiC的区别仅仅是增加了碳原子。但这导致SiC的晶圆具有更坚硬的纤锌矿型原子结构，相比之下，Si的原子结构为较弱的金刚石型。这种结构差异使得SiC在高温下具有更高的机械稳定性、出色的热导率、较低的热膨胀系数以及更宽的禁带。

层间禁带宽度的增加导致半导体从绝缘状态切换到导电状态的阈值更高。第三代半导体的开关阈值介于2.3电子伏特（eV）和3.3电子伏特（eV）之间，而第一代和第二代半导体的开关阈值介于0.6eV和1.5eV之间。(图1）

图1：宽禁带物理特性

就性能而言，宽禁带（WBG）半导体的击穿电压明显更高，对热能的敏感性也更低。因此，与硅半导体相比，它们具有更高的稳定性、更强的可靠性、通过减少功率损耗提高效率，以及更高的温度阈值。

对于电子行业来说，这可以提高现有设计的效率，并促进电动汽车和可再生能源转换器向更高电压发展。这将带来更多益处，如减少原材料和冷却要求（由于相同功率下电流减小）、减小系统尺寸和重量，以及缩短电动汽车的充电时间。(图2）

MaterialProperties

材料特性

图2：碳化硅应用优势

了解半导体可靠性

MOSFET、二极管或功率模块发生故障会带来灾难性后果。对于直流快充、电池储能系统和工业太阳能逆变器等关键能源基础设施中的元件来说尤为重要。从严重的停机维修，到品牌声誉损失，甚至更广泛的损害或伤害，确保这些元件的可靠性至关重要。

典型的半导体要在相当大的负载和应力下工作，这一点在高压SiC应用中尤为明显。在器件的整个使用寿命期间，功率循环、热不稳定性和瞬态、电子运动和低功率电场等因素都可能导致半导体过早失效。

偏压温度不稳定性(BTI)

BTI是影响硅产品可靠性的一种常见老化现象。当在介电界面或其附近，由于界面陷阱电荷的产生，这种现象会导致"导通"电阻增加，从而降低阈值电压，减慢开关速度。

负偏压温度不稳定性(NBTI)是MOSFET的主要可靠性问题之一，通常会随着晶体管的老化而逐渐显现。这一点对于栅极至源极电压为负值或对栅极施加负偏压的器件尤为明显。

经时栅极氧化物击穿(TDDB，Time-DependentGate Oxide Breakdown)

TDDB是指在工作过程中，由于持续施加的电偏压和地球电磁辐射的影响，栅极氧化物有可能受损的现象。这是一种基于老化的失效机制，会限制半导体产品的使用寿命。

功率和热影响

器件上剧烈的功率循环会增加MOSFET的瞬时应力，并可能产生超过击穿电压的电压尖峰。虽然抑制措施有助于随时间减少浪涌效应，但即使是减弱了的动态应力仍会影响器件的可靠性。

由于半导体材料的结构本身是其运行的关键，当衬底的不同区域以不同的速度冷却和收缩时，激烈和反复的热循环会导致元件损坏。

双极性老化

由SiCMOSFET体二极管应力引起的双极性老化，可能导致“导通”状态下的电阻增加，这是由于体二极管正向偏置时流过的电流触发的。这种老化有时也表现为前向电压漂移或关断状态漏电流增加。最常见的是由于现有外延层基晶面位错（BPDs）的激活所引起，通过合理设计外延层并在生产过程中进行扫描可以预防这种激活。

确保半导体可靠性

对于SiC制造商之一的安森美而言，要确保SiC产品能够满足下一代应用的性能要求，就必须针对SiC结构量身定制广泛的质量和可靠性项目。

要认识到SiC的局限性，从而确定其可靠的工作条件，了解其失效模式和机制至关重要。通过追溯这些失效模式和机制，并通过深入分析、可以暴露弱点和制定纠正措施。

项目基础与合作

由于许多高性能的SiC应用还涉及到具有长生命周期的系统，因此至关重要的是，SiC的测试要紧密符合应用的预期。

为了加深对碳化硅材料失效模式的了解，安森美的质量项目包括一个多元化的团队，其中包括参与前端制造、研发、应用测试和失效分析的人员。通过与世界各地的大学和专业研究中心合作，这一项目得到了进一步加强。

晶圆质量认证

晶圆质量认证（也称为内在质量认证）主要关注晶圆制造过程，其目的是确保按照合格流程加工的所有晶圆都具有稳定的内在高可靠性水平。这或许是任何SiC可靠性中最关键的因素，因为晶圆缺陷既可能导致封装时立即出现故障，也可能在产品的后期寿命中出现问题。

为确保长期的可靠性，安森美开发了一系列深入的方法，包括视觉和电子筛选工具，旨在消除有缺陷的晶粒。

晶圆制造工艺流程始于衬底扫描，在此过程中使用坐标跟踪和自动分类技术来识别和跟踪缺陷。在整个生产过程中，多次检验扫描用于在关键步骤中识别潜在缺陷（图3）。

图3：前端流程中的扫描和检查

电气筛选也在多个阶段实施，例如晶圆验收测试、老化测试和晶圆级晶粒分类，以及动态部件平均值测试，以消除电气异常值。最后，所有晶圆都要接受彻底的自动化出厂检查，其中包括视觉缺陷的识别。

广泛测试

无论是在SiC产品的开发过程中，还是在产品的持续生产过程中，安森美都会进行一系列的测试，旨在测试整个生产过程（晶圆制造、产品封装和应用测试）的质量和可靠性。

击穿电荷(QBD)测试

安森美使用QBD作为评估栅极氧化物质量的一种直接而有效的方法，与栅极氧化物厚度无关。安森美的方法是在室温下对正向偏置栅极施加5mA/cm²的电流，这种破坏性测试在精度和灵敏度方面超过了线性电压QBD测试，能够检测到内在分布中的细微差异。

图4显示了平面SiC和Si栅极氧化物内在性能对比测试结果。

图4：SiCNMOS电容、1200V 40 mΩ EliteSiC MOSFET和Si MOSFET产品的QBD测量值

在比较内在QBD的性能（与栅极氧化物厚度无关）时，在相同标称厚度下，安森美平面SiC的内在性能比Si提高了50倍。这显示了SiC在性能和可靠性方面的巨大飞跃。

在生产过程中，每批产品的栅极氧化物质量是通过将SiCMOSFET产品晶粒的采样QBD与大面积（2.7mm x 2.7 mm）NMOS电容器进行对比来评估的，并且设定了严格的标准以确保任何异常值都被剔除。

TDDB测试

为了确保其SiC产品的寿命，安森美进行了广泛的TDDB应力测试，这些测试远远超出了常规工作条件。图5展示了一个SiC生产MOSFET的TDDB测试数据示例。该器件在175°C的温度下经受了一系列栅极电压和与电子俘获相关的氧化物电场的影响。

图5：SiC生产MOSFET的TDDB数据（175oC和低于9 MV/cm时的应力）

即使采用保守的模型，在栅极电压为21V的情况下，预测的失效时间为20年，这远高于该型号规定的工作电压（18V）。

跨职能方法体系

除了QBD和TDDB测试之外，安森美还在公司内部以及与独立的学术研究人员合作，进行一系列广泛的实验。

包含双极性老化、动态应力测试和BTI老化测试在内的全套测试流程，构成了一种广泛的跨职能方法体系，旨在对晶圆到最终应用产品进行全面测试。这确保了安森美的产品能够兑现SiC的承诺——提高效率、加快开关速度、支持更高电压以及增强可靠性，以更精确地符合客户的系统要求。

2023年11月，安森美在斯洛伐克的Piestany开设了先进的电动汽车系统应用实验室，进一步扩大其应用测试范围。该实验室旨在为电动汽车和可再生能源逆变器下一代系统解决方案的开发提供支持。该实验室包括各种专有测试设备和来自AVL等业界知名制造商的解决方案。

碳化硅--市场准备就绪的技术

大规模采用SiC还将面临一些挑战，例如半导体制造商要跟上需求的步伐，由于有了广泛的测试项目（如安森美开展的测试项目），电子行业应该不会对SiC的可靠性和性能感到担忧。

对于日益增多的高要求应用，包括电动汽车和可再生能源转换器，SiC技术应成为工程师的首选。过去，对于电子工程师来说，要找到在投放市场后立即在性能和可靠性方面实现飞跃的元件和应用级解决方案极具挑战性，但SiC技术却可以做到这一点。