今天这篇文章来自理想汽车主要内容是研究1.2kVSiC MOSFET管芯BVDSS失效的底层机理，
先介绍背景
凭借其低功耗、高频率、高功率密度等优势，SiC MOSFET已成功实现商业化并应用于电动汽车的牵引逆变器，车规级芯片对可靠性有着严格要求，SiC MOSFET的栅氧可靠性已有诸多研究，但关于BVDSS异常芯片的报道相对较少。
何为BVDSS异常芯片？
即，那些BVDSS值相对较低，但仍符合规格要求的芯片，作者提到，在SiC牵引逆变器的开发过程中，BVDSS异常芯片较为常见，有必要进行深入研究。
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为确保牵引逆变器在整个使用期间功能正常，产品出厂前，通常会进行老化测试，如上，
施加脉冲电流后，一台逆变器出现故障，
异常逆变器包括1只BVDSS异常芯片、35只正常芯片，
BVDSS异常芯片的BV为1563V，Vth为3.19V，Ron,sp为14.5mΩ·cm2，
其余35只，BV平均值为1670V，Vth平均值为3.16V，Ron,sp平均值为14.9mΩ·cm2。
失效分析显示，唯一的烧毁出现在BVDSS异常芯片的有源区。
此前曾有报道，发现芯片的BVDSS取决于每个芯片的螺旋位错(TSD)数量，但本研究发现，BVDSS异常芯片与外延层中的非致命缺陷相关，其中凹坑（pits）最为常见。
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逆变器采用的1.2kV平面型SiC MOSFET由一家6英寸SiC晶圆厂提供，采用六角元胞设计，芯片尺寸为5mm×5mm，
器件结构如（a），UIS测试电路如（b），后者用于评估器件的雪崩能力。
外延层参数为10μm/1e16cm-3，栅氧厚度50nm。
简单解释一下研究方法，为研究SiC MOSFET与凹坑相关的失效机制，采用锁相红外热成像(LIT)系统对裸芯片的热点进行定位，局部去除顶层金属铝后，使用高分辨率光子发射显微镜(EMMI)在不同放大倍数下识别失效位置，再通过SEM和FIB对热点区域进行细致观察，随后通过湿法腐蚀去除顶部的元胞区域材料，露出外延层，以便使用原子力显微镜(AFM)分析SiC外延层表面。
最后，使用500℃的熔融KOH进行5分钟的优先腐蚀（preferentialetching），以识别SiC外延层表面的缺陷。
这里解释一下，preferentialetching，一种常见的材料表征技术，利用腐蚀剂对晶体材料不同晶向、不同缺陷区域的腐蚀速率存在显著差异的特性，将晶体结构信息“可视化”。
对于完美、完整的晶体区域，腐蚀速率较慢，相对稳定，对于有缺陷的区域（如位错、台阶边缘等），由于原子键合不完整或存在应力，这些区域的化学活性更高，腐蚀速率远高于前者，因此，经过preferentialetching后，缺陷所在的位置会被优先腐蚀掉，形成特定的、肉眼或显微镜可见的“腐蚀坑”，进而定位外延缺陷位置。
另外在4H-SiC中，不同类型的缺陷，经过KOH腐蚀后，会形成不同形状的腐蚀坑，螺纹刃位错通常产生圆形或椭圆形的坑，螺纹螺位错通常产生六边形或纺锤形的坑。
通过将腐蚀后观察到的缺陷分布图（即腐蚀坑分布图）与之前电学测试map图对比，可建立“特定类型的晶体缺陷”与“器件电学失效”之间的因果关系。
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统计晶圆上的管芯电性能，如上，先看（a），BV与Rdon基本呈正相关，换言之，Rdon较小（导通性能优异）的管芯，BV普遍较小（击穿性能偏差），这符合BV与Rdon的trade-off规律。
图（a）将所有管芯分为三种，Normal（正常）、Waferedge（晶圆边缘）和BVDSSoutlier（异常）芯片，Normal不用多说，蓝色区域的芯片大多分布在晶圆边缘，其电学参数的离散性，主要归因于外延和制造工艺的不均匀性，导致晶圆边缘管芯性能变差，因此称为Waferedge芯片。
红色虚线以下的芯片，Rdon呈正态分布，但BVDSS异常低（尽管仍在规格范围内）。这些即为本文研究的BVDSS异常芯片。
图（b）展示了Normal、BVDSS异常芯片的击穿曲线，BVDSS异常芯片率先达到击穿拐点，有必要开发一种筛选方法，以剔除这些BVDSS异常芯片。
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对BVDSS异常芯片进行失效分析，采用LIT系统对裸芯片的热点进行定位，如上（a），随后用EMMI精确定位失效点，如上（b），
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再对Normal和BVDSS异常芯片进行SEM分析，如上，
左图为Normal芯片，右图为BVDSS异常芯片，仔细看右图，标注Concave的区域，明显观察到外延层表面的凹陷，凹陷作用下，多晶硅栅和栅氧均出现形变，更关键的是，P-well区形状明显异常。
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湿法腐蚀去除顶部的元胞区域材料，露出外延层，再通过SEM和AFM表征外延层表面形貌，如上，
标注Pit区域存在明显凹陷，尺寸2~3μm，AFM形貌分析揭示了这是个表面凹坑，测量深度约为200nm。
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通过TCAD仿真验证失效机理，
VDS=1.5kV时SiC MOSFET电场分布如上，
（a）为正常器件，（b）为BVDSS异常器件，
（a）中，峰值电场约为2.6MV/cm，电场均匀分布在每个元胞，
（b）中，P-well发生变形，P-well拐角处电场增至3.0MV/cm，增强的电场导致电流流过寄生BJT，
由于元胞结构不均匀（多数元胞正常，少数元胞长于凹坑之上），电流优先流过异常元胞，变形P-well区的基极电阻随之增加，温度亦随之升高，
另外，基极-发射极结的内建电压VBE会随温度升高而降低，当基极电阻两端电压足以使VBE正偏，该元胞的寄生BJT激活，迅速积累电流，温度升高，
正反馈机制下，该区域提早击穿。
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验证凹坑与器件UIS能力之间是否存在关系，结果如上，
对25个含有凹坑的管芯进行UIS测试，UIS的失效率高达36%，且多数芯片的失效区域位于有源区，与凹坑位置一致，
未失效的样品，推测可能是凹坑深度不足，或者凹坑之上的元胞位置恰好不会影响P-well形状。
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为剔除BVDSS异常管芯，开发一种芯片级电测试筛选技术，流程如上，
注意标红处，
CP测试（芯片终测）中增加ΔBVDSS（百分比），KGD测试（KnownGoodDie）中增加UIS测试项，
用此方法，对9000多只管芯进行测试筛选，
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ΔBVDSS的定义如（a），分布如（b），
97.76%的测试管芯表现出极小的ΔBVDSS值，剩余管芯的ΔBVDSS值超过2%，
进一步观察发现，超过96%的ΔBVDSS异常管芯具有非致命缺陷，其中50%ΔBVDSS异常管芯具有凹坑，表明BVDSS异常管芯与外延非致命缺陷（尤其是凹坑）之间具有强相关性。
9000多只管芯的UIS失效率约为0.02%，再将20400颗合格芯片组装成1700个电源模块，进行后续老化测试。
结果表明，
未进行上述筛选的器件，模块级HTRB老化测试失效率4.5%，
进行上述筛选的器件，模块级HTRB老化测试失效率0.57%，
换言之，该筛选使得模块级HTRB老化测试失效率降低近1个数量级。
小结：
1、研究1.2kVSiC MOSFET管芯BVDSS失效的底层机理，所谓BVDSS失效管芯，即那些BVDSS值相对较低，但仍符合规格要求的芯片，测试结果表明，这些管芯的击穿曲线更软，更早抵达击穿点。
2、失效分析结果显示，在BVDSS失效管芯中明显观察到外延层表面的凹陷，凹陷作用下，多晶硅栅和栅氧均出现形变，更关键的是，P-well区形状明显异常。
仿真结果显示，凹陷区域元胞的P-well拐角电场增强，电流增大，寄生BJT激活，引发失效。
3、为剔除BVDSS异常管芯，开发一种芯片级电测试筛选技术，CP测试（芯片终测）中增加ΔBVDSS（百分比），KGD测试（KnownGoodDie）中增加UIS测试项，
结果显示，超过96%的ΔBVDSS异常管芯具有非致命缺陷，其中50%ΔBVDSS异常管芯具有凹坑，表明BVDSS异常管芯与外延非致命缺陷（尤其是凹坑）具有强相关性。
模块测试结果显示，该筛选使得模块级HTRB老化测试失效率降低近1个数量级。
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