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Ensuring Reliability: The Development and Manufacturing Behind Market Ready Silicon Carbide Products 作者：Catherine De Keukeleire，安森美寬禁帶可靠性與質(zhì)量保證總監(jiān) 從 MOSFET 、二極管到功率模塊，功率半導體產(chǎn)品是我們生活中無數(shù)電子設備的核心。 從醫(yī)療設備和可再生能源基礎設施，到個人電子產(chǎn)品和電動汽車 (EV)，它們的性能和可靠性確保了各種設備的持續(xù)運行。 第三代寬禁帶（WBG）解決方案是半導體技術(shù)的前沿，如使用碳化硅（SiC）。 與傳統(tǒng)的硅（Si）晶體管相比，SiC的優(yōu)異物理特性使基于SiC的系統(tǒng)能夠在更小的外形尺寸內(nèi)顯著減少損耗并加快開關(guān)速度。 由于SiC在市場上相對較新，一些工程師在尚未確定該技術(shù)可靠性水平之前，對從Si到SiC的轉(zhuǎn)換猶豫不決。 但是，等待本身也會帶來風險--由于碳化硅可提高性能，推遲采用該技術(shù)可能會導致喪失市場競爭優(yōu)勢。 在本文中，我們將探討SiC半導體產(chǎn)品如何實現(xiàn)高質(zhì)量和高可靠性，以及SiC制造商為確保其解決方案能夠投放市場所付出的巨大努力，這些努力不僅提升了產(chǎn)品性能，還確保了卓越的可靠性。 SiC半導體有何不同？ 在化學層面上，Si和SiC的區(qū)別僅僅是增加了碳原子。但這導致SiC的晶圓具有更堅硬的纖鋅礦型原子結(jié)構(gòu)，相比之下，Si的原子結(jié)構(gòu)為較弱的金剛石型。這種結(jié)構(gòu)差異使得SiC在高溫下具有更高的機械穩(wěn)定性、出色的熱導率、較低的熱膨脹系數(shù)以及更寬的禁帶。 層間禁帶寬度的增加導致半導體從絕緣狀態(tài)切換到導電狀態(tài)的閾值更高。 第三代半導體的開關(guān)閾值介于 2.3 電子伏特（eV） 和 3.3 電子伏特（eV） 之間，而第一代和第二代半導體的開關(guān)閾值介于 0.6 eV 和 1.5 eV 之間。 (圖 1） 
圖 1：寬禁帶物理特性 就性能而言，寬禁帶（WBG）半導體的擊穿電壓明顯更高，對熱能的敏感性也更低。 因此，與硅半導體相比，它們具有更高的穩(wěn)定性、更強的可靠性、通過減少功率損耗提高效率，以及更高的溫度閾值。 對于電子行業(yè)來說，這可以提高現(xiàn)有設計的效率，并促進電動汽車和可再生能源轉(zhuǎn)換器向更高電壓發(fā)展。 這將帶來更多益處，如減少原材料和冷卻要求（由于相同功率下電流減小）、減小系統(tǒng)尺寸和重量，以及縮短電動汽車的充電時間。 (圖 2）
圖 2：碳化硅應用優(yōu)勢 了解半導體可靠性 MOSFET、二極管或功率模塊發(fā)生故障會帶來災難性后果。 對于直流快充、電池儲能系統(tǒng)和工業(yè)太陽能逆變器等關(guān)鍵能源基礎設施中的元件來說尤為重要。 從嚴重的停機維修，到品牌聲譽損失，甚至更廣泛的損害或傷害，確保這些元件的可靠性至關(guān)重要。 典型的半導體要在相當大的負載和應力下工作，這一點在高壓SiC應用中尤為明顯。 在器件的整個使用壽命期間，功率循環(huán)、熱不穩(wěn)定性和瞬態(tài)、電子運動和低功率電場等因素都可能導致半導體過早失效。 偏壓溫度不穩(wěn)定性 (BTI) BTI 是影響硅產(chǎn)品可靠性的一種常見老化現(xiàn)象。 當在介電界面或其附近，由于界面陷阱電荷的產(chǎn)生，這種現(xiàn)象會導致 "導通 "電阻增加，從而降低閾值電壓，減慢開關(guān)速度。 負偏壓溫度不穩(wěn)定性 (NBTI) 是 MOSFET 的主要可靠性問題之一，通常會隨著晶體管的老化而逐漸顯現(xiàn)。這一點對于柵極至源極電壓為負值或?qū)艠O施加負偏壓的器件尤為明顯。 經(jīng)時柵極氧化物擊穿 (TDDB，Time-Dependent Gate Oxide Breakdown) TDDB 是指在工作過程中，由于持續(xù)施加的電偏壓和地球電磁輻射的影響，柵極氧化物有可能受損的現(xiàn)象。 這是一種基于老化的失效機制，會限制半導體產(chǎn)品的使用壽命。 功率和熱影響 器件上劇烈的功率循環(huán)會增加MOSFET的瞬時應力，并可能產(chǎn)生超過擊穿電壓的電壓尖峰。雖然抑制措施有助于隨時間減少浪涌效應，但即使是減弱了的動態(tài)應力仍會影響器件的可靠性。 由于半導體材料的結(jié)構(gòu)本身是其運行的關(guān)鍵，當襯底的不同區(qū)域以不同的速度冷卻和收縮時，激烈和反復的熱循環(huán)會導致元件損壞。 雙極性老化 由SiC MOSFET體二極管應力引起的雙極性老化，可能導致“導通”狀態(tài)下的電阻增加，這是由于體二極管正向偏置時流過的電流觸發(fā)的。這種老化有時也表現(xiàn)為前向電壓漂移或關(guān)斷狀態(tài)漏電流增加。最常見的是由于現(xiàn)有外延層基晶面位錯（BPDs）的激活所引起，通過合理設計外延層并在生產(chǎn)過程中進行掃描可以預防這種激活。 確保半導體可靠性 對于 SiC 制造商之一的安森美（onsemi ） 而言，要確保 SiC 產(chǎn)品能夠滿足下一代應用的性能要求，就必須針對 SiC 結(jié)構(gòu)量身定制廣泛的質(zhì)量和可靠性項目。 要認識到SiC的局限性，從而確定其可靠的工作條件，了解其失效模式和機制至關(guān)重要。通過追溯這些失效模式和機制，并通過深入分析、可以暴露弱點和制定糾正措施。 項目基礎與合作 由于許多高性能的SiC應用還涉及到具有長生命周期的系統(tǒng)，因此至關(guān)重要的是，SiC的測試要緊密符合應用的預期。 為了加深對碳化硅材料失效模式的了解，安森美的質(zhì)量項目包括一個多元化的團隊，其中包括參與前端制造、研發(fā)、應用測試和失效分析的人員。 通過與世界各地的大學和專業(yè)研究中心合作，這一項目得到了進一步加強。 晶圓質(zhì)量認證 晶圓質(zhì)量認證（也稱為內(nèi)在質(zhì)量認證）主要關(guān)注晶圓制造過程，其目的是確保按照合格流程加工的所有晶圓都具有穩(wěn)定的內(nèi)在高可靠性水平。 這或許是任何 SiC 可靠性中最關(guān)鍵的因素，因為晶圓缺陷既可能導致封裝時立即出現(xiàn)故障，也可能在產(chǎn)品的后期壽命中出現(xiàn)問題。 為確保長期的可靠性，安森美開發(fā)了一系列深入的方法，包括視覺和電子篩選工具，旨在消除有缺陷的晶粒。 晶圓制造工藝流程始于襯底掃描，在此過程中使用坐標跟蹤和自動分類技術(shù)來識別和跟蹤缺陷。在整個生產(chǎn)過程中，多次檢驗掃描用于在關(guān)鍵步驟中識別潛在缺陷（圖3）。
圖 3：前端流程中的掃描和檢查 電氣篩選也在多個階段實施，例如晶圓驗收測試、老化測試和晶圓級晶粒分類，以及動態(tài)部件平均值測試，以消除電氣異常值。最后，所有晶圓都要接受徹底的自動化出廠檢查，其中包括視覺缺陷的識別。 廣泛測試 無論是在SiC產(chǎn)品的開發(fā)過程中，還是在產(chǎn)品的持續(xù)生產(chǎn)過程中，安森美都會進行一系列的測試，旨在測試整個生產(chǎn)過程（晶圓制造、產(chǎn)品封裝和應用測試）的質(zhì)量和可靠性。 擊穿電荷(QBD)測試 安森美使用 QBD 作為評估柵極氧化物質(zhì)量的一種直接而有效的方法，與柵極氧化物厚度無關(guān)。 安森美的方法是在室溫下對正向偏置柵極施加 5 mA/cm2 的電流，這種破壞性測試在精度和靈敏度方面超過了線性電壓 QBD 測試，能夠檢測到內(nèi)在分布中的細微差異。 圖 4 顯示了平面SiC和Si柵極氧化物內(nèi)在性能對比測試結(jié)果。
圖 4：SiC NMOS 電容、1200 V 40 mΩ EliteSiC MOSFET 和 Si MOSFET 產(chǎn)品的 QBD 測量值 在比較內(nèi)在QBD 的性能（與柵極氧化物厚度無關(guān)）時，在相同標稱厚度下，安森美平面SiC的內(nèi)在性能比Si提高了 50 倍。 這顯示了SiC在性能和可靠性方面的巨大飛躍。 在生產(chǎn)過程中，每批產(chǎn)品的柵極氧化物質(zhì)量是通過將SiC MOSFET產(chǎn)品晶粒的采樣QBD與大面積（2.7 mm x 2.7 mm）NMOS電容器進行對比來評估的，并且設定了嚴格的標準以確保任何異常值都被剔除。 TDDB 測試 為了確保其SiC產(chǎn)品的壽命，安森美進行了廣泛的TDDB應力測試，這些測試遠遠超出了常規(guī)工作條件。圖5展示了一個SiC生產(chǎn)MOSFET的TDDB測試數(shù)據(jù)示例。該器件在175°C的溫度下經(jīng)受了一系列柵極電壓和與電子俘獲相關(guān)的氧化物電場的影響。
圖 5：SiC 生產(chǎn) MOSFET 的 TDDB 數(shù)據(jù)（175oC 和低于 9 MV/cm 時的應力） 即使采用保守的模型，在柵極電壓為 21V 的情況下，預測的失效時間為20年，這遠高于該型號規(guī)定的工作電壓（18V）。 跨職能方法體系 除了QBD和TDDB測試之外，安森美還在公司內(nèi)部以及與獨立的學術(shù)研究人員合作，進行一系列廣泛的實驗。 包含雙極性老化、動態(tài)應力測試和BTI老化測試在內(nèi)的全套測試流程，構(gòu)成了一種廣泛的跨職能方法體系，旨在對晶圓到最終應用產(chǎn)品進行全面測試。這確保了安森美的產(chǎn)品能夠兌現(xiàn)SiC的承諾——提高效率、加快開關(guān)速度、支持更高電壓以及增強可靠性，以更精確地符合客戶的系統(tǒng)要求。 2023 年 11 月， 安森美在斯洛伐克的 Piestany 開設了先進的電動汽車系統(tǒng)應用實驗室，進一步擴大其應用測試范圍。 該實驗室旨在為電動汽車和可再生能源逆變器下一代系統(tǒng)解決方案的開發(fā)提供支持。 該實驗室包括各種專有測試設備和來自 AVL 等業(yè)界知名制造商的解決方案。 碳化硅--市場準備就緒的技術(shù) 大規(guī)模采用 SiC 還將面臨一些挑戰(zhàn)，例如半導體制造商要跟上需求的步伐，由于有了廣泛的測試項目（如安森美開展的測試項目），電子行業(yè)應該不會對 SiC 的可靠性和性能感到擔憂。 對于日益增多的高要求應用，包括電動汽車和可再生能源轉(zhuǎn)換器，SiC 技術(shù)應成為工程師的首選。 過去，對于電子工程師來說，要找到在投放市場后立即在性能和可靠性方面實現(xiàn)飛躍的元件和應用級解決方案極具挑戰(zhàn)性，但 SiC 技術(shù)卻可以做到這一點。 |
