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氧化鎵功率器件動態可靠性測試方案

泰克科技 ? 來源:泰克科技 ? 2025-07-11 09:12 ? 次閱讀
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將脈沖技術引入先進CMOS技術的可靠性測試

氮化鎵和碳化硅之后,氧化鎵(Ga?O?)正以超高擊穿電壓與低成本潛力,推動超寬禁帶功率器件進入大規模落地階段。

但在光伏逆變、電動車快充、高壓電源模塊等真實工作場景中,高頻大電流動態開關才是氧化鎵器件日常面臨的真實挑戰。如何評估器件在這些動態應力下的可靠性,成為影響產品量產落地與客戶信賴度的關鍵。

傳統直流老化測試,難以真實還原動態負載場景,也難以準確捕捉在高κ材料柵結構中電荷捕獲、陷阱演化等動態退化行為。脈沖應力與電荷泵技術的結合,正成為下一代氧化鎵功率器件可靠性驗證的關鍵抓手。

本篇內容將帶您了解為什么在Ga?O?等先進CMOS與功率器件的可靠性驗證中,需要引入脈沖應力技術,以及如何借助泰克平臺與方法,更真實模擬器件在實際工作負載下的老化過程,助力從材料到器件到系統的產業落地驗證。

泰克對話港科大,黃文海教授談超寬禁帶氧化鎵

傳統的直流應力與測量方法廣泛用于表征 CMOS 器件的可靠性,如 HCI 和 TDDB 引起的退化。然而,隨著 PMOSFET 和高κ材料器件中新興電荷捕獲等問題出現,可靠性測試也在演進。實際電路中器件動態開關的特性,使得動態可靠性驗證需求日益增加,引入脈沖應力測試成為趨勢。

研究表明,電壓應力導致的界面陷阱增加是 HCI、NBTI 等可靠性問題的重要原因。將電荷泵技術引入現有直流測試,可有效監測界面陷阱,幫助理解高κ材料及先進 CMOS 工藝中的新型退化機制。

雖然常用“交流應力”表述,但在此場景中實為重復方波或梯形脈沖,本文統一稱為“脈沖應力”,更準確反映測試方式。

脈沖表征 - 電荷泵

電荷泵(CP)和高頻/準靜態 C-V 是表征 MOS 界面陷阱密度的常用方法。然而,隨著晶體管柵氧化物厚度降至 3-4nm 以下,準靜態 C-V 已不適用于高κ材料界面表征。

CP 技術適用于日益廣泛使用高κ薄膜的晶體管柵,能夠監測界面和電荷捕獲現象。通過直流或脈沖應力下的 CP 測量,可評估 HCI、NBTI、TDDB 等可靠性測試引發的器件退化量。

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圖1:電荷泵測量示意圖。晶體管的源極和漏極連接到地面,而柵極以固定的頻率和振幅進行脈沖

圖1顯示了與被測設備(DUT)的連接?;镜?CP 技術包括:對晶體管的柵極施加固定幅度、上升時間、下降時間和頻率的電壓脈沖序列時,測量基極電流。在此測試中,漏極、源連接到地面,襯底通過源測量單元(SMU)連接到地面,用于測量通過柵極的電流(Icp)。

兩種最常見的CP技術是電壓基極掃描和幅值掃描。在電壓基極電平掃描中,周期(脈沖寬度)和電壓振幅被固定,而掃描脈沖基極電壓(圖2a)。在每個電壓下,測量體電流并繪制基本電壓 (ICP vs Vbase),如圖2a所示。

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圖2a

圖2b

圖2:用于電荷泵送的兩種掃描類型:a)基極電壓掃描 b)脈沖幅度掃描

第二種電荷泵技術是電壓幅度掃描,它具有一個固定的基本電壓和周期 ( 脈沖頻率 ),每個掃描步驟的電壓振幅都發生了變化(圖2b)。所獲得的數據與從電壓基極掃描中提取的數據相似,但在這種情況下,電荷泵電流與電壓幅度 (ICP vs 電壓幅度 ) 這些測量也可以在多個頻率 ( 周期 ) 上執行,以獲得界面陷阱的頻率響應。

對于高κ材料結構,CP技術可以將被捕獲的電荷 (Nit)量化為:

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在硅基板 / 界面層以外的捕獲電荷可以被感知到。圖2a為基底電壓掃描的特征ICP曲線,而圖2b為電壓幅值掃描的特征ICP曲線。

CP技術也可用于表征界面阱形成的初始階段。圖3顯示了使用1MHz頻率的“新”CP測量(即以前未測試過的MOSFET)。暗態電流是初始的CP測量值;較淺的曲線表示隨后的測量結果。請注意,在較低的電壓下,ICP曲線的形狀以及大小都發生了變化。在多次測量后,隨著效果飽和,變化趨勢就會有效地停止。曲線形狀的變化表明,CP測量所施加的電應力導致了界面陷阱的形成。這意味著使用脈沖測量CP可以有效地對器件施加壓力并引起一些退化。脈沖應力下的退化是對我們理解偏置溫度不穩定性(BTI)和TDDB的有益補充。

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圖3. “新”器件上的電荷泵測量所引起的應力效應

BTI和TDDB的脈沖應力

BTI(NBTI/PBTI)和 TDDB 通常采用高溫高壓交替應力與測量的方式進行測試,以加速退化并縮短驗證周期。

NBTI 已成為 PMOSFET 可靠性測試的重要議題,其特征是閾值電壓升高、漏極電流衰減,但在應力解除后會出現“弛豫”現象,影響直流應力測量的準確性,從而導致對壽命評估的高估。此外,高κ柵材料中普遍存在電荷捕獲與去捕獲,進一步加劇了器件性能的動態波動,使傳統直流應力方法難以反映真實工作場景下的退化行為。

為更真實模擬器件在快充、逆變等場景下的動態負載,脈沖應力技術逐步成為先進器件可靠性驗證的重要手段。脈沖應力可模擬不同頻率下的動態開關,應力間歇期間部分退火恢復,真實反映器件在實際應用中的老化規律,幫助工程師更準確地建立頻率相關的壽命模型。

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圖4a

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圖4b

圖4. NBTI應力/測量圖,顯示了兩種不同的脈沖應力方法:a)使用傳統柵極和漏極電壓的動態NBTI(DNBTI)b)DNBTI模擬逆變器條件,漏極電壓與柵極電壓處于相反的相位

通過使用周期性應力來模擬器件在電路中的應力,脈沖應力基本上是一個短的直流應力,被沒有施加應力的時間中斷(圖4)。對于NBTI,這種應力脈沖之間的非應力部分允許退化恢復到一定程度。這種部分恢復對確定并模擬了該器件的使用壽命行為具有重要意義。部分恢復還不能被很好地理解,并且會因每個使用器件的結構、尺寸和材料的組合而有所不同。圖4顯示了兩個脈沖應力的例子,盡管還有其他的脈沖應力方法。圖4a顯示了NBTI的脈沖應力,其中漏極電壓在應力間隔期間保持0V。圖4b顯示了NBTI的脈沖應力,除了柵極電壓外漏極電壓是脈沖的。這第二種方法用于模擬逆變電路中的單個器件的性能。圖4b中的柵極和漏極都受到了壓力,因此在器件退化過程中同時存在NBTI和HCI。一般來說,脈沖應力技術產生更少的退化,器件的壽命更長。

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圖5.由于脈沖應力而導致的Nit退化

對于NBTI,脈沖應力技術用于研究單個器件以及數字電路的動態行為。圖5顯示了不同脈沖應力持續時間導致的Nit的增加,結合了圖4a的應力方法和圖2a的周期性CP測量值。

除了BTI,TDDB在靜態和動態故障狀態中的作用可以很好地被理解。對于在TDDB測試期間監測 SILC(應力引發的泄漏電流),應力 / 測量圖類似于圖4a,但 Vdrain保持在一個恒定的非零電壓,允許在應力期間讀取Id。

結論

在超寬禁帶氧化鎵功率器件走向光伏、快充、高壓電源真實場景落地的進程中,驗證其在高頻、大電流動態開關下的長期可靠性,是實現大規模應用的關鍵門檻。脈沖應力技術與電荷泵測量的結合,不僅能精準量化高κ柵結構中電荷捕獲與陷阱演化,更能模擬真實工況下的動態負載,應力期間與恢復過程的退化與自愈特性,為Ga?O?器件建立可信的可靠性模型。

相較傳統直流測試,脈沖應力驗證讓工程師能在更短時間內獲得更真實的老化評估,推動氧化鎵器件從實驗室加速走向規模應用,為產業落地和客戶信賴保駕護航。

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原文標題:從材料到器件:氧化鎵功率器件動態可靠性測試新思路

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