團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CASAS042—2024碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（SiCMOSFET）高溫柵偏試驗(yàn)方法Hightemperaturegatebiastestmethodforsiliconcarbidemetal-oxidesemiconductorfiledeffecttransistors（SiCMOSFET）2024-11-19發(fā)布2024-11-19實(shí)施第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社發(fā)布出版ⅠT/CASAS042—2024前言 Ⅲ引言 Ⅳ 2規(guī)范性引用文件 3術(shù)語(yǔ)和定義 4試驗(yàn)裝置要求 4.1試驗(yàn)環(huán)境 4.2試驗(yàn)裝置 5試驗(yàn)方法 6失效判定 7測(cè)試報(bào)告 附錄A（資料性）SiCMOSFET器件高溫柵偏試驗(yàn)記錄表 參考文獻(xiàn) ⅢT/CASAS042—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟提出并歸口。本文件起草單位：忱芯科技（上海）公司、工業(yè)和信息化部電子第五研究所、復(fù)旦大學(xué)、杭州芯邁半導(dǎo)體技術(shù)有限公司、浙江大學(xué)、廣電計(jì)量檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司、深圳市禾望電氣股份有限公司、中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司、清純半導(dǎo)體（寧波）有限公司、東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司、北京智慧能源研究院、湖北九峰山實(shí)驗(yàn)室、深圳平湖實(shí)驗(yàn)室、安徽長(zhǎng)飛先進(jìn)半導(dǎo)體股份有限公司、浙江大學(xué)紹興研究院、西安交通大學(xué)、中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司、江蘇第三代半導(dǎo)體研究院有限公司、上海維安電子股份有限公司、上海瞻芯電子科技股份有限公司、深圳市大能創(chuàng)智半導(dǎo)體有限公司、東莞南方半導(dǎo)體科技有限公司、廈門華聯(lián)半導(dǎo)體科技有限公司、廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心、北京第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟。ⅣT/CASAS042—2024引言碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（SiCMOSFET）具有阻斷電壓高、工作頻率高、耐高溫能力強(qiáng)、通態(tài)電阻低和開(kāi)關(guān)損耗小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高頻、高壓功率系統(tǒng)中。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域如航天、航空、石油勘探、核能、通信等，迫切需要能夠在高溫、高頻、高濕等極端環(huán)境下工作的電子器件。SiCMOSFET的高溫可靠性試驗(yàn)是使器件在高溫或高溫高濕的環(huán)境下，承受高電壓應(yīng)力，以暴露跟時(shí)間、應(yīng)力相關(guān)的缺陷。器件能否承受規(guī)定應(yīng)力條件下的試驗(yàn)是評(píng)估器件實(shí)際應(yīng)用可靠性的重要手段。由于SiC/SiO2界面陷阱、近界面氧化物陷阱以及氧化物層中的缺陷和可移動(dòng)電荷等問(wèn)題，在長(zhǎng)期高應(yīng)力的測(cè)試環(huán)境下，導(dǎo)致SiCMOSFET器件的失效機(jī)制變得復(fù)雜，例如閾值電壓VGS(th)和米勒電容的變化等。SiCMOSFET的高溫可靠性試驗(yàn)方法及監(jiān)控參數(shù)，需要做出相應(yīng)的調(diào)整，本文件給出了適用于SiCMOSFET器件的高溫柵偏試驗(yàn)方法。1T/CASAS042—2024碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（SiCMOSFET）高溫柵偏試驗(yàn)方法本文件描述了碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（SiCMOSFET）高溫柵偏試驗(yàn)方法，包括試驗(yàn)裝置、失效判定。本文件適用于SiCMOSFET功率器件、功率模塊的可靠性評(píng)估。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T4586—1994半導(dǎo)體器件分立器件第8部分：場(chǎng)效應(yīng)晶體管T/CASAS002—2021寬禁帶半導(dǎo)體術(shù)語(yǔ)T/CASAS006—2020碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管通用技術(shù)規(guī)范3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T4586—1994、T/CASAS002—2021、T/CASAS006—2020界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。柵-源電壓gate-sourcevoltageVGS器件的柵極和源極之間的電壓。漏-源電壓drain-sourcevoltageVDS器件的漏極和源極之間的電壓。柵極漏泄電流/柵極漏電流gateleakagecurrentIGSS漏極-源極短路時(shí)，柵-源電壓達(dá)到最大的條件下對(duì)應(yīng)柵極電流的最大值。漏極漏泄電流/漏極漏電流drainleakagecurrentIDSS在漏-源電壓達(dá)到規(guī)定的高值、柵-源電壓達(dá)到規(guī)定條件下，對(duì)應(yīng)漏極電流的最大值。柵-源閾值電壓gate-sourcethresholdvoltageVGS(th)漏極電流值達(dá)到規(guī)定低值時(shí)的柵-源電壓。2T/CASAS042—2024漏-源極導(dǎo)通電阻drain-sourceon-stateresistanceRDS(on)在規(guī)定的柵-源電壓、漏極電流以及芯片結(jié)溫下的漏極-源極之間的阻值。漏-源反向電壓rain-sourcereversevoltage體二極管正向壓降VF/VSD在規(guī)定的條件下，器件的漏極和源極之間的反向電壓。擊穿電壓breakdownvoltage；draintosourceVBR在規(guī)定的柵-源電壓，漏極電流達(dá)到規(guī)定低值時(shí)的漏極-源極電壓。環(huán)境溫度ambienttemperatureTa測(cè)試環(huán)境規(guī)定點(diǎn)測(cè)得的溫度。管殼溫度casetemperatureTc在半導(dǎo)體器件管殼規(guī)定點(diǎn)測(cè)得的溫度。散熱器溫度sinktemperatureTs在器件散熱器規(guī)定點(diǎn)測(cè)得的溫度。結(jié)溫junctiontemperatureTj器件中主要發(fā)熱部分的半導(dǎo)體結(jié)的溫度。虛擬結(jié)溫virtualjunctiontemperatureTvj通過(guò)電學(xué)性能間接測(cè)量得到的器件結(jié)溫。注：功率器件的結(jié)溫是沒(méi)有辦法直接測(cè)量到的。通常，Tvj用來(lái)代替Tj。4試驗(yàn)裝置要求4.1試驗(yàn)環(huán)境SiCMOSFET高溫柵偏試驗(yàn)裝置應(yīng)能夠提供合適的SiCMOSFET偏置電壓及所需的高溫環(huán)境，并具備以下功能和性能指標(biāo)：a）能夠提供所需的高溫環(huán)境和偏置電壓，能夠覆蓋SiCMOSFET器件的工作溫度和偏置電壓范圍；b）具備可靠的溫度控制和監(jiān)測(cè)能力，確保試驗(yàn)過(guò)程中的溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性；c）配備精確的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)記錄關(guān)鍵電氣特性參數(shù)，如VGS、VDS、IGSS等；d）具備完善的數(shù)據(jù)采集和分析功能，方便試驗(yàn)結(jié)束后續(xù)的失效分析。3T/CASAS042—20244.2試驗(yàn)裝置所使用的試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵組成如下。a）功率偏置單元（電源1）具備基本的恒壓、恒流輸出模式，輸出的電壓和電流范圍應(yīng)覆蓋SiCMOSFET器件試驗(yàn)所需的額定值；2）具備基本的保護(hù)功能，例如過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫等，確保試驗(yàn)安全；3）輸出紋波和噪聲應(yīng)控制在較低水平，以免影響器件的性能測(cè)試；4）輸出及測(cè)量系統(tǒng)的分辨率、精度等指標(biāo)應(yīng)滿足較高要求［例如在30V量程時(shí)，分辨率應(yīng)≤1mV，精度應(yīng)優(yōu)于±（0.03%量程+10）mV；在1A量程時(shí)，分辨率應(yīng)≤1mA，精度應(yīng)優(yōu)于±（0.1%量程+5）mA以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。b）溫度控制系統(tǒng)：1）應(yīng)使用具有良好溫度控制能力的恒溫槽、熱平臺(tái)或溫箱，以提供所需的高溫應(yīng)力環(huán)境；在廣泛的溫度范圍內(nèi)（例如25℃~300℃)提供恒定和均勻的高溫環(huán)境；2）應(yīng)具備快速升溫和降溫的能力，以縮短試驗(yàn)周期；3）溫度波動(dòng)度應(yīng)優(yōu)于1℃,溫度容許偏差應(yīng)優(yōu)于±2℃,升溫速率應(yīng)優(yōu)于1℃/min，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄環(huán)境溫度數(shù)據(jù)；4）具備基本的保護(hù)功能，確保試驗(yàn)安全。c）測(cè)量設(shè)備或測(cè)量系統(tǒng)：1）包括但不限于高分辨率及高精度的示波器、電流表、電壓表、溫度傳感器、精密源測(cè)量單元等，能夠準(zhǔn)確記錄相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括溫度、試驗(yàn)時(shí)間、電參數(shù)測(cè)試信息和結(jié)果；2）測(cè)量設(shè)備應(yīng)具有良好的抗干擾性，避免受試驗(yàn)環(huán)境干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差；問(wèn)題。注：為確保試驗(yàn)過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化和可重復(fù)性，建議采用專門為SiCMOSFET高溫柵偏試驗(yàn)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了上述各關(guān)鍵組成部分，具有良好的溫度控制和關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)［例如IDSS、正偏壓IGSS+、負(fù)偏壓IGSS-、RDS(on)、VGS(th)、VSD、VBR等］在線監(jiān)測(cè)能力，尤其在微弱信號(hào)測(cè)量部分具備較高的分辨率及精度［例如測(cè)量100nA量程范圍下，分辨率優(yōu)于10pA、精度優(yōu)于±（0.1%量程+0.5）nA并針對(duì)SiCMOSFET器件的特性進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化（例如針對(duì)閾值電壓測(cè)量的遲滯效應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理）。SiCMOSFET高溫柵偏試驗(yàn)裝置使用前需進(jìn)行全面的校準(zhǔn)，確保各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求。在試驗(yàn)過(guò)程中，需定期檢查和維護(hù)試驗(yàn)裝置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決可能出現(xiàn)的問(wèn)題，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。5試驗(yàn)方法本試驗(yàn)用于確定隨著時(shí)間的推移，電氣應(yīng)力（器件偏置電壓）和熱應(yīng)力（高溫環(huán)境）對(duì)SiCMOSFET的綜合影響。與SiCMOSFET器件大部分的使用工況不同，本試驗(yàn)通過(guò)提高偏置電壓、環(huán)境溫度的應(yīng)力條件，以模擬加速條件下的工作狀態(tài)，從而在較短的時(shí)間內(nèi)評(píng)估器件在正常使用條件下的可靠性和壽命，用于器件的質(zhì)量驗(yàn)證和柵極電介質(zhì)的可靠性監(jiān)控（老化篩選）。在質(zhì)量驗(yàn)證的框架內(nèi)，重點(diǎn)是驗(yàn)證指定的使用壽命和使用壽命極限，而可靠性監(jiān)控則聚焦于與生產(chǎn)相關(guān)的早期失效。本試驗(yàn)旨在評(píng)估：a）柵極電介質(zhì)的完整性；注：測(cè)試會(huì)加速所謂的經(jīng)時(shí)介電層擊穿（time?dependentdielectricbreakdown，TDDB其會(huì)在柵極和源極或柵極和4T/CASAS042—2024漏極之間產(chǎn)生一個(gè)電阻路徑，或在柵極和源極之間產(chǎn)生一個(gè)低擊穿二極管。b）半導(dǎo)體和電介質(zhì)邊界層的狀況；注：除其他因素外，熱電負(fù)載還會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體與柵極絕緣體之間的邊界層退化，這通過(guò)閾值電壓VGS(th)的變化和米勒電容的變化而顯現(xiàn)出來(lái)。c）可動(dòng)離子對(duì)半導(dǎo)體的污染情況。注：在長(zhǎng)期溫度升高和電場(chǎng)增強(qiáng)的情況下，移動(dòng)污染電荷會(huì)使得閾值電壓VGS(th)、米勒電容和柵極絕緣體的完整性或控制效果發(fā)生退化。測(cè)試建議按照以下流程進(jìn)行。a）樣品準(zhǔn)備：根據(jù)被測(cè)器件的封裝形式，按照表1選擇合適的樣品數(shù)量。樣品需去除表面污染物，確保一致性和標(biāo)準(zhǔn)化。將SiCMOSFET樣品焊接或安裝在適當(dāng)?shù)臏y(cè)試夾具上，確保良好的電氣連接和熱連接，避免在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生位置偏移，需確保樣品在測(cè)試過(guò)程中能夠良好散熱，避免因局部過(guò)熱而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏差。偏置連接時(shí)，應(yīng)減少其他寄生參數(shù)的影響，例如采用四線制開(kāi)爾文連接測(cè)試法，以減小接線電阻對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。表1高溫柵偏部分試驗(yàn)條件要求試驗(yàn)條件參數(shù)試驗(yàn)要求試驗(yàn)時(shí)間tt≥1000h試驗(yàn)溫度TjTvj.max漏源電壓VDSVDS=0V柵源電壓VGS被測(cè)器件柵極-源極施加正壓，VGS=VGS.max被測(cè)器件柵極-源極施加負(fù)壓，VGS=VGS.min注：測(cè)試樣品數(shù)量，單批次，分立器件建議154個(gè)（其中正負(fù)柵壓偏置各77個(gè)功率模塊建議6個(gè)（其中正負(fù)柵壓偏b）最初測(cè)試：在測(cè)試開(kāi)始之前，進(jìn)行器件的電特性參數(shù)測(cè)試及記錄，包括但不限于正偏壓IGSS+、負(fù)試，確保無(wú)明顯缺陷和功能正常才能進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。c）溫度及偏置電源設(shè)置：根據(jù)測(cè)試要求設(shè)置溫度控制系統(tǒng)及偏置電源的輸出電壓，需要注意的是，在升溫前的10min之內(nèi)，器件應(yīng)當(dāng)施加偏置。d）HTGB（高溫柵偏）試驗(yàn)：試驗(yàn)電路參考圖1，將偏置電源VGS_bias1的正極（或VGS_bias2的負(fù)極）連接到SiCMOSFET的柵極，VGS_bias1的負(fù)極（或VGS_bias2的正極）連接到源極，施加所需的偏置電壓。此時(shí)SiCMOSFET的漏極短接至源極。e）中間測(cè)試：使用相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備監(jiān)測(cè)SiCMOSFET的IGSS。f）冷卻：在去掉偏置前，處于高溫應(yīng)力下的器件應(yīng)冷卻至55℃或更低溫度。對(duì)于規(guī)定的工藝，如果制造商提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)，不需要偏置條件下的冷卻。若在冷卻過(guò)程中，如需將器件移動(dòng)到溫度控制系統(tǒng)外的冷卻位置，偏置中斷不超過(guò)1min時(shí)，不應(yīng)視為去掉偏置。g）最終測(cè)試：在測(cè)試完成之后，進(jìn)行器件的電特性參數(shù)測(cè)試及記錄，包括但不限于正偏壓IGSS+、負(fù)偏壓IGSS-、IDSS、RDS(on)、VGS(th)、VF、VBR。需要注意，器件在去掉偏置的96h內(nèi)應(yīng)盡快完成電氣參數(shù)測(cè)試。如果器件去掉偏置并超出96h，器件在完成測(cè)試前應(yīng)該按照表2規(guī)定的時(shí)間重新施加應(yīng)力。中間測(cè)試后，應(yīng)力應(yīng)在中斷點(diǎn)繼續(xù)施加。5T/CASAS042—2024 △ △圖1高溫柵偏試驗(yàn)電路參考h）數(shù)據(jù)記錄：記錄試驗(yàn)期間的應(yīng)力及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并注意任何異?，F(xiàn)象。注1：HTGB是針對(duì)SiCMOSFET芯片及其近距離環(huán)境的失效模式測(cè)試，而不是針對(duì)遠(yuǎn)距離外殼的測(cè)試。芯片需達(dá)到最大溫度Tvj，但外殼周圍的環(huán)境溫度Ta可以更低。需確保芯片下方的外殼溫度Tc或散熱器溫度Ts達(dá)到Tvj。外殼溫度需在允許的最高存儲(chǔ)溫度范圍內(nèi)(±10K否則需測(cè)量外殼溫度并在測(cè)試報(bào)告中注明。注2：需要注意的是，SiCMOSFET在柵-源電壓上升掃描過(guò)程中對(duì)應(yīng)的VGS(th)會(huì)小于下降掃描過(guò)程中對(duì)應(yīng)的VGS(th)，這種現(xiàn)象稱為閾值電壓的遲滯效應(yīng)，此現(xiàn)象存在的根源是寬禁帶SiC材料所帶來(lái)的界面態(tài)陷阱電荷。需要進(jìn)行預(yù)處理以獲得明確的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程在所有測(cè)量期間都需相同。表296h內(nèi)未完成測(cè)試的器件附加應(yīng)力要求超出96h的時(shí)間t/h0<t≤168168<t≤336336<t≤504其他電測(cè)試之前附加應(yīng)力時(shí)間/h6失效判定器件完成試驗(yàn)和記錄后，符合以下任一條即判定為失效。需要注意的是，如果產(chǎn)品失效是由于試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)人員操作不當(dāng)、試驗(yàn)裝置失效等非樣品本身因素導(dǎo)致，則該失效不算作批次性失效，但應(yīng)詳細(xì)記錄失效情況并進(jìn)行失效分析，在征得用戶同意后，可重新選擇樣品進(jìn)行該試驗(yàn)。a）參考表3，電學(xué)參數(shù)滿足任意一條，應(yīng)視為不合格；b）器件外觀出現(xiàn)任何的物理?yè)p壞，應(yīng)視為不合格；c）可根據(jù)需求增加其余的失效判定。表3高溫柵偏失效判定表參數(shù)符號(hào)失效判據(jù)（相對(duì)于初始值的變化率）漏-源極導(dǎo)通電阻RDS(on)b）高于數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最大值；c）低于數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最小值體二極管正向壓降VFb）高于數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最大值；c）低于數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最小值擊穿電壓VBRb）低于數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最小值6T/CASAS042—2024表3高溫柵偏失效判定表（續(xù)）參數(shù)符號(hào)失效判據(jù)（相對(duì)于初始值的變化率）閾值電壓VGS(th)b）高于數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最大值；c）低于數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最小值漏極漏電流IDSSb）高于數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最大值柵極漏電流IGSS+b）高于數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最大值IGSS-7測(cè)試報(bào)告測(cè)試結(jié)束應(yīng)提供測(cè)試報(bào)告，其中記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)包括：a）樣品名稱及數(shù)量；b）加熱期間的試驗(yàn)偏置條件；c）試驗(yàn)溫度；d）試驗(yàn)電壓；e）試驗(yàn)時(shí)間；f）連續(xù)記錄的IGSS；g）試驗(yàn)前后的IDSS、正偏壓IGSS+、負(fù)偏壓IGSS-、RDS(on)、VGS(th)、VF、VBR；h）其他必要的項(xiàng)目。SiCMOSFET器件高溫柵偏試驗(yàn)記錄表見(jiàn)附錄A。7T/CASAS042—2024（資料性）SiCMOSFET器件高溫柵偏試驗(yàn)記錄表SiCMOSFET器件高溫柵偏試驗(yàn)記錄表見(jiàn)表A.1。表A.1SiCMOSFET器件高溫柵偏試驗(yàn)記錄表示例產(chǎn)品名稱型號(hào)規(guī)格組別檢測(cè)項(xiàng)目環(huán)境條件測(cè)試儀器儀表型號(hào)：計(jì)量有效期編號(hào)：檢測(cè)依