如何评估SiC MOSFET栅氧化层的使用寿命

作者简介 

赵佳 

 

在我们上一篇文章中，详细描述了英飞凌如何通过电应力筛选的方式，剔除栅氧化层中具有非本征缺陷的器件（相关阅读：仅有几十nm厚的栅氧化层，竟是制约SiC MOSFET可靠性的关键因素）。那么通过筛选之后的器件，实际使用寿命又有多久？为此，英飞凌开发了马拉松应力测试应运而生，它以接近实际应用的条件为核心，成为校准非本征筛选模型、精准预测栅氧寿命的关键方法，也被 JEDEC 标准 JEP194 推荐采用。

 

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马拉松测试的核心原理：贴近实际，大样本长期 “实景应力”
 

马拉松应力测试的核心逻辑，就是在尽可能贴近器件实际工作的条件下，对大量器件进行长时间的并行应力测试，以此捕捉那些即便经过栅压筛选，仍可能在实际应用中极低概率发生的早期栅氧非本征失效。

 

之所以要满足大样本量和长时间两个条件，是因为经过前期栅压筛选后，器件的非本征失效已经变得非常罕见，只有足够多的样本、足够长的测试时间，才能提高触发失效的概率，让测试结果具有参考价值。

 

1. 测试条件：贴近实际，轻微加速

 

测试的栅压和温度均接近器件真实使用参数，比如器件实际栅极工作电压 18V/20V 时，测试选 25V；使用温度接近 150°C/175°C。仅做轻微加速，确保观察到的失效模式和实际应用完全一致，这也是其与传统高加速测试最核心的区别。

 

2. 测试时长：阶梯式循环，直至出现失效

 

单次基础测试时长为 100 天，如果前 100 天没有器件失效，就适当提高应力电压（如提高 5V）再继续测试 100 天，如此循环，直到出现 1~10 个失效案例即可停止。无需让所有器件运行至寿命终点，首批失效的电压和时间数据，就是后续分析的核心依据。

 

3. 测试架构：专用设计，大规模并行

 

为了处理数千个测试样本，英飞凌设计了专用测试结构：多个器件封装在同一载体，多个载体装在应力测试板，多块板放入一个炉内，多个炉还能并行运行，实现大规模器件的同步应力测试，保证测试效率和数据的统一性。

 

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栅氧寿命预测的关键：加速模型 + 参数校准 + 数据拟合

 

 

马拉松测试的最终目的，是为了精准预测 SiC MOSFET 在实际工作条件下的栅氧寿命，而非单纯观察失效现象。整个预测过程围绕线性 E 模型展开，通过测试数据校准模型参数，再用拟合后的模型推导实际工况的失效概率，形成一套系统化的流程。

 

1. 核心模型：线性 E 模型（JEDEC 推荐）

 

对于栅氧化层厚度大于 20nm 的 SiC MOSFET，JEDEC 标准 JEP194 推荐使用线性 E 模型来计算击穿时间（tBD）与击穿位置电场（Eox）和温度（T）变化的关系，这是寿命预测的数学基础，公式为：

式中：

前因子A0：与介质击穿强度相关的比例常数；

γ：电场加速参数；

Ea：表观激活能（eV）；

K：玻尔兹曼常数（eV/K）

 

简单来说，这个公式的核心是：氧化层的击穿时间（tBD）由 电场加速参数（γ）和表观激活能（Ea）两个关键参数决定，而这两个参数正是非本征失效的核心加速参数，也是马拉松测试需要精准校准的内容。（公式中A0为比例常数、k 为玻尔兹曼常数，均为固定参考值）。

 

2. 参数校准：多轮测试，迭代优化

 

电场加速参数 γ 和表观激活能Ea并非固定值，需要通过马拉松测试的实际数据不断校准，整个校准过程是一个循环优化的过程。经过多轮迭代优化后的模型，能精准反映非本征缺陷在不同电压、温度下的失效规律，为后续寿命预测提供可靠依据。

 

3. 寿命预测：数据拟合 + 工况换算 + 概率外推

 

在获得校准后的线性 E 模型和加速参数后，就可以通过三步完成实际工况下的栅氧寿命及失效概率预测：

1

数据拟合：将马拉松测试中首批失效的电压、时间数据代入模型，确保模型能精准匹配测试中的失效规律；

2

工况换算：利用校准后的模型，将马拉松测试中 “轻微加速条件” 下的失效时间，换算为器件实际工作条件（如常规栅压 18V、温度 150°C）下的失效时间；

3

概率外推：将测试数据外推至器件假定的最长工作寿命（如 20 年），结合 Weibull 分布分析，推导出器件在整个寿命周期内的栅氧失效概率。

这里需要注意的是，经过栅压筛选的器件，失效率几乎保持恒定，因此在数据外推时，会假设 Weibull 斜率参数 β=1，让预测结果更贴合实际。

 

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马拉松测试的实际应用成果：数据积累，全寿命范围内失效率预测

 

 

英飞凌在过去 10-15 年里，针对不同尺寸、不同代际的 CoolSiC MOSFET，完成了大量马拉松应力测试，积累了海量数据，也实现了两大核心成果：

 

 1. 建立通用非本征加速模型

 

基于大量测试数据校准的模型，在不同电压等级、金属化结构、芯片尺寸和器件代际中均得到验证，所有马拉松测试的失效结果，都落在该模型的预测范围内，能有效估算任意工作场景下的最坏现场失效概率。

 

2. 实现全生命周期的可靠性预测

 

在一项针对三代不同工艺阶段 SiC MOSFET 的案例研究中，我们对三个具有不同非本征缺陷密度的器件样本组，分别执行了三次独立的马拉松应力测试。这三组样本大致对应于英飞凌第一代CoolSiC MOSFET器件在开发过程中工艺演进的不同阶段。第一组对应氧化层工艺开发的初期阶段，第三组则代表接近产品放行前的技术状态。该实验的目的是，监测并量化在清洁度、工艺以及电学筛选方面的各项改进所带来的效果。在150 °C下进行100天的测试后，表现最佳的组别（第三组）在VGS = +30 V条件下，1000 个器件中仅出现1个失效，而在VGS = +25 V和VGS = +15 V的条件下，则未出现任何失效。将测试数据换算为 18V 实际工作电压后，所有样本组的失效时间均远超 20 年产品寿命，且第三组样本group3在 20 年工作周期内的失效率仅有1 ppm ，而group2也仅展现出个位数量级的ppm，实现了与成熟硅基器件相当的可靠性预测。

 

 

04

马拉松测试的特点与适用场景

 

 

作为 SiC MOSFET 栅氧寿命预测的核心方法，马拉松测试有其独特的优势，也存在一定的局限性，因此其适用场景也有明确的定位：

 

核心优势

1. 测试条件贴近实际，失效模式与现场应用完全一致，预测结果精准可靠；

2. 能校准非本征加速参数，建立通用模型，适用于不同类型的 SiC MOSFET；

3. 可实现对器件全寿命周期失效概率的预测。

 

局限性

1. 测试要求高：需要大样本量、长达数月的测试时间，且需专用的并行测试架构；

2. 前期准备复杂：需大量前期研究确定合适的应力条件，栅压需低于本征击穿极限又足够严苛以触发失效；

3. 校准流程繁琐：需多轮测试迭代优化模型参数。

 

适用场景

正因上述特点，马拉松应力测试主要适用于 SiC MOSFET 器件制造商，用于量化工厂量产器件的现场可靠性、校准筛选模型、验证工艺改进效果；而如果只是对不同厂商的器件做栅氧可靠性的定性比较，使用栅压阶梯应力测试等终测方法会更便捷。

 

结论

 

马拉松应力测试是 SiC MOSFET 栅氧非本征可靠性验证与寿命预测的 “金标准”，它跳出了传统高加速测试的局限，以贴近实际的条件、大样本的规模、长时间的应力捕捉极低概率的非本征失效，再通过线性 E 模型的校准与拟合，将测试数据转化为实际工况下的寿命预测。

 

正是依靠这套测试方法，英飞凌才能精准掌握栅氧化层非本征缺陷的失效规律，实现对 SiC MOSFET 全寿命周期失效概率的定量预测，也为工艺优化、栅压筛选提供了可靠的数据分析依据，最终推动 SiC MOSFET 的栅氧可靠性向硅基器件看齐。