作为大功率，高频和高效电力电子的理想选择，SiC MOS近年来为越来越多的行业所接受。器件选型时相对于性能应用端更关注SiC MOS的长期可靠性，从而确保客户端零失效。栅氧质量是决定SiC MOS 长期可靠性的核心要素之一，介电层击穿（Time Dependent Dielectric Breakdown，简称TDDB）和E-模型（E-Model）是表征MOS栅氧长期可靠性的两大核心工具。本文介绍如何通过TDDB和E-模型来评估各类优化的有效性，进而确保SiC MOS长期可靠性。
TDDB测试和E-模型拟合：SiC MOS栅氧寿命评估
目前业界已量产SiC MOS其栅氧（Gate oxide）均为SiO2，在SiC表面生长高质量栅氧一直是各友商的核心积累。TDDB是评估MOS栅氧寿命的标准手段，在温度和电场的作用下栅氧被击穿所用时间为栅氧寿命，一般采用63.2%的器件被击穿时间（简称t63%）进行寿命评估，根据需要也可采用其他时间如t1ppm（百万分之一器件被击穿所用时间）。TDDB为破坏性测试，如果在MOS 正常工作Vgs use电压和温度条件下对器件进行TDDB测试，则所需时间漫长基本上以年为单位。行业的标准做法是在高温（如器件目标结温）和高电场下对器件进行加速老化测试得到器件寿命，然后对相同温度三组不同电场下的寿命进行E-模型拟合，从而推导出正常工作区间下（即驱动电压Vgs,use的允许范围）器件寿命。
图一通过具体案例说明如何用TDDB测试和E-模型拟合推导SiC MOS在Vgs use下的寿命。如图一（a），在175℃（产品规格书Tjmax）的环境温度下对一组SiC MOS样品（45颗）同时在栅氧上加9MV/cm的电场，IGSS漏电随时间一开始保持不变，当高温和高电场的作用达到一定时间时栅氧被击穿IGSS 显著迅速增加。统计每个样品的失效时间并进行韦布尔分布处理即得到图一（b），对图一(b) 数据拟合可得出器件在不同失效率（如1 ppm）下器件寿命。对三组不同电场下的器件寿命进行E-模型拟合可得到图一 (c)，根据拟合的曲线可计算出MOS 正常工作区间内器件寿命。
图一案例有一个非常理想的假设：SiC MOS栅氧本身不存在缺陷。实际量产的SiC MOS 总会有漏网之鱼即少量SiC MOS栅氧存在缺陷。无缺陷SiC MOS栅氧寿命为本征（intrinsic）寿命，由栅氧缺陷导致的器件寿命为非本征（extrinsic）寿命。根据木桶效应，栅氧缺陷对器件寿命和应用端失效率的影响至关重要。
如何降低栅氧缺陷及其负作用是一门工程艺术，是各友商多年的积累。图二本征部分代表器件本征栅氧寿命分布，非本征部分为栅氧缺陷导致的寿命分布。SiC MOS栅氧缺陷又分为致命缺陷和非致命缺陷，致命缺陷对应的栅氧寿命低于芯片目标寿命。
SiC MOS栅氧非本征早期失效：栅氧局部等效减薄模型
很多制造环节如外延缺陷，生长栅氧所用仪器状态，化学清洗等环节均可导致栅氧缺陷存在，进而导致器件早期失效。对于栅氧缺陷导致的器件寿命降低，业界一般采用栅氧局部等效减薄模型进行解释。
参见图三（a），SiC MOS栅氧位于多晶硅（poly Si）和SiC之间。左半部分栅氧没有缺陷为本征栅氧，右半部分列出三类缺陷为非本征栅氧。缺陷I 为空洞缺陷，缺陷II 为SiC EPI缺陷，缺陷III为栅氧中颗粒缺陷。栅氧寿命和电场强度的关系参见图三（b）。电场强度越大则栅氧越容易击穿其寿命越小。由缺陷引起的早期失效可用栅氧局部等效减薄来解释，参见图三 (a)，当栅氧上加上Vgs偏压时，由于缺陷处栅氧等效厚度的减小相应位置电场强度（E=V/d）增大，导致器件寿命降低（非本征失效）。图三仅列举了栅氧中存在缺陷的三个例子，在实际场景中也会存在其他类型的栅氧缺陷。
由此可见，提高SiC MOS栅氧本征寿命固然重要，更重要的是如何管控栅氧缺陷密度，有效的进行栅氧缺陷筛选，从而确保客户端“零失效”。
SiC MOS器件筛选的理论基础：韦布尔常数β≈1
本章节公式为进行TDDB定量分析必不可少的基础。依据这些理论对测试数据进行变换和推演可获得很多关键信息。
公式(1)为器件累计失效分布函数（cumulative distribution function of the time-to-failure），表示到时间t时器件累计失效的概率,
如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系
我们将为您提供高效、贴心的解决方案！
咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
↓ ↓ 点击图片免费领取产品规格书 ↓ ↓ 
想深入了解碳化硅功率器件产品知识？点击→「碳化硅（SiC）课堂」获取详情！
