ICS31.080

CCSL40/49

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CASAS042—202X（征求意見稿）

碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管

（SiCMOSFETs）高溫柵偏試驗(yàn)方法

Hightemperaturegatebiastestingmethodforsiliconcarbidemetal

oxidesemiconductorfiledeffecttransistors(SiCMOSFETs)

（征求意見稿）

在提交反饋意見時(shí)，請將您知道的相關(guān)專利連同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX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)盟發(fā)布

T/CASAS042—202X（征求意見稿）

引言

碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(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，迫切需要能夠在髙溫、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。器件能否能承受規(guī)定應(yīng)力條件下的試驗(yàn)是評估器件實(shí)際應(yīng)

用可靠性的重要手段。

由于SiO2與SiC界面缺陷SiC/SiO2界面附近的界面陷阱、近界面氧化物陷阱以及氧化物層中的缺陷

和可移動電荷等問題，在長期高應(yīng)力的測試環(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。

III

T/CASAS042—202X（征求意見稿）

碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（SiCMOSFETs）高溫柵偏

試驗(yàn)方法

1范圍

本文件描述了碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（SiCMOSFETs）高溫柵偏試驗(yàn)方法，包括：

試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)程序以及失效判據(jù)。

本文件適用范圍：分立功率器件，功率模塊。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(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部分場效應(yīng)晶體管

GB/T4937.23-2023半導(dǎo)體器件機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法第23部分：高溫工作壽命

T/CASAS002-2021寬禁帶半導(dǎo)體術(shù)語

T/CASAS006-2020碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管通用技術(shù)規(guī)范

3術(shù)語和定義

GB/T4586、T/CASAS002、T/CASAS006界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

柵-源電壓gate-sourcevoltage

VGS

器件的柵極和源極之間的電壓。

漏-源電壓drain-sourcevoltage

VDS

器件的漏極和源極之間的電壓。

柵極漏泄電流gateleakagecurrent

柵極漏電流gateleakagecurrent

IGSS

漏極-源極短路時(shí)，柵極-源極電壓VGS達(dá)到最大的條件下對應(yīng)的最大值。

漏極漏泄電流drainleakagecurrent

漏極漏電流drainleakagecurrent

IDSS

在漏極-源極電壓達(dá)到規(guī)定的高值，柵極-源極達(dá)到規(guī)定條件下的最大值。

柵-源閾值電壓gate-sourcethresholdvoltage

VGS(th)

1

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漏極電流值達(dá)到規(guī)定低值時(shí)的柵-源電壓。

漏-源通態(tài)電阻drain-sourceon-stateresistance

rDS(on)

在規(guī)定的柵極電壓、溫度且忽略內(nèi)部耗散條件下的最大值。

漏-源反向電壓rain-sourcereversevoltage

VSD

在規(guī)定的條件下，器件的漏極和源極之間的反向電壓。

漏-源擊穿電壓breakdownvoltage,draintosource

V(BR)DSS

最大斷態(tài)漏極電流ID0和柵極-源極短路時(shí)的最小值。

環(huán)境溫度ambienttemperature

Ta

測試環(huán)境規(guī)定點(diǎn)測得的溫度。

管殼溫度casetemperature

Tc

在半導(dǎo)體器件管殼規(guī)定點(diǎn)測得的溫度。

散熱器溫度sinktemperature

Ts

在器件散熱器規(guī)定點(diǎn)測得的溫度。

結(jié)溫junctiontemperature

Tj

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virtualjunctiontemperature,general

Tvj

通過電學(xué)性能簡介測量得到的結(jié)溫，通常來說，功率半導(dǎo)體的結(jié)溫是沒有辦法直接測量到的，如

MOSFET可以通過體二極管的正向電壓測量，因此，Tvj用來代替Tj。

4試驗(yàn)裝置

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。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）。功率偏置單元（電源）應(yīng)能滿足半導(dǎo)體器件所需的偏置電壓范圍；

b)溫度控制系統(tǒng)。使用具有良好溫度控制能力的恒溫槽或熱平臺或溫箱，以提供所需的高溫應(yīng)力

環(huán)境；

c)測量設(shè)備或測量系統(tǒng)。包括但不限于示波器、電流表、電壓表、溫度傳感器、源測量單元等，

能夠記錄相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括溫度、試驗(yàn)時(shí)間、電參數(shù)測試信息和結(jié)果。

2

T/CASAS042—202X（征求意見稿）

5試驗(yàn)步驟

目的

SiCMOSFETVGS(th)會因器件的開關(guān)而出現(xiàn)遲滯效應(yīng)，但這不是老化效應(yīng)。需要進(jìn)行預(yù)處理以獲得

明確的測量信號。這一過程在所有測量期間都必須相同。

本試驗(yàn)用于確定隨著時(shí)間的推移，電氣應(yīng)力和熱應(yīng)力對SiCMOSFET的綜合影響。它模擬了加速條件

下的工作狀態(tài)，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)旨在評估：

a)柵極電介質(zhì)的完整性。

注：測試會加速所謂的經(jīng)時(shí)介電層擊穿（time-dependentdielectricbreakdown,TDDB），其會在柵極和源

極或柵極和漏極之間產(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)載還會導(dǎo)致半導(dǎo)體與柵極絕緣體之間的邊界層退化，這通過閾值電壓VGS(th)的變

化和米勒電容的變化而顯現(xiàn)出來。

c)可動離子對半導(dǎo)體的污染情況。

注：隨溫度升高和電場變強(qiáng)，移動污染電荷的影響可以降低閾值電壓VGS(th)、米勒電容以及長期下來會損害

柵極絕緣體的完整性或控制效應(yīng)。

測試

測試建議按照以下流程進(jìn)行：

a)樣品準(zhǔn)備：將SiCMOSFET樣品焊接或安裝在適當(dāng)?shù)臏y試夾具上，確保良好的電氣連接和熱連

接。

b)最初測試：在測試開始之前，進(jìn)行器件的電特性參數(shù)測試及記錄，包括但不限于正偏壓IGSS、

負(fù)偏壓IGSS、IDSS、rDS(on)、VGS(th)、VSD、V(BR)DSS。

c)溫度及偏置電源設(shè)置：根據(jù)測試要求設(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試驗(yàn)：參考圖1，將偏置電源VGS_bias的正極（或負(fù)極）連接到SiCMOSFET的柵極，負(fù)極

（或正極）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。

恒溫箱

VGS_bias

圖1高溫柵偏試驗(yàn)電路參考

e)中間測試：使用相應(yīng)的測量設(shè)備監(jiān)測SiCMOSFET的IGSS。

3

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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。偏置中斷不超過1min時(shí)，不應(yīng)該視為

去掉偏置。

g)最終測試：在測試完成之后，進(jìn)行器件的電特性參數(shù)測試及記錄，包括但不限于正偏壓IGSS、

負(fù)偏壓IGSS、rDS(on)、VGS(th)、VSD、V(BR)DSS。需要注意，器件在去掉偏置的96h內(nèi)應(yīng)該盡快完

成電氣參數(shù)測試。如果器件去掉偏置并超出96h，器件在完成測試前應(yīng)該按照表2規(guī)定的時(shí)間

重新施加應(yīng)力。中間測試后，應(yīng)力應(yīng)該在中斷點(diǎn)繼續(xù)施加。

h)數(shù)據(jù)記錄：記錄試驗(yàn)期間的應(yīng)力及監(jiān)測數(shù)據(jù)，并注意任何異?，F(xiàn)象。

注：HTGB是針對SiCMOSFET芯片及其近距離環(huán)境的失效模式測試，而不是針對遠(yuǎn)距離外殼的測試。芯片必須達(dá)到最

大溫度Tvj，但外殼周圍的環(huán)境溫度Ta可以更低。必須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

溫度應(yīng)在允許的最高存儲溫度范圍內(nèi)（±10K），否則必須測量外殼溫度并在測試報(bào)告中注明。

需要針對SiCMOSFET的VGS(th)的遲滯現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)處理。

表1高溫柵偏部分試驗(yàn)條件要求

參數(shù)值

單批次，分立器件建議154個(gè)（其中正負(fù)柵壓偏置各77

被測樣品數(shù)量

個(gè)），功率模塊建議6個(gè)（其中正負(fù)柵壓偏置各3個(gè)）

測試持續(xù)時(shí)間≥1000h

測試溫度Tvj,max

漏極-源極電壓VDSVDS=0V

被測器件柵極-源極施加正壓，VGS=VGS,max

柵極-源極電壓VGS

被測器件柵極-源極施加負(fù)壓，VGS=VGS,min

表296h內(nèi)未完成測試的器件附加應(yīng)力要求

超出96h的時(shí)間t(th)0<t≤168168<t≤336336<t≤504其他

電測試之前附加應(yīng)力時(shí)間（h）244872超出96h后，每168h（一周）增加24h

6失效判定

IGSS等器件的電特性參數(shù)在初始值的基礎(chǔ)上，加上包括DUT在內(nèi)的測量裝置的噪聲水平（在室溫冷測

量）增加5倍，或超過數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的值，必須視為不合格。

可根據(jù)需求增加其余的失效判定。

7測試報(bào)告

測試結(jié)束應(yīng)提供測試報(bào)告，其中記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)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)前后的正偏壓IGSS、負(fù)偏壓IGSS、rDS(on)、VGS(th)、VSD、V(BR)DSS。

h)其他必要的項(xiàng)目。

4

T/CASAS042—202X（征求意見稿）

A

A

附錄A

（資料性）

SiCMOSFET器件高溫柵偏試驗(yàn)記錄表

A.1SiCMOSFET器件高溫柵偏試驗(yàn)記錄表

試驗(yàn)記錄表如圖A.1。

表A.1高溫柵偏測試試驗(yàn)表示例

產(chǎn)品名稱

組別

型號規(guī)格

檢測項(xiàng)目環(huán)境條件

型號：

測試儀器

計(jì)量有效期

儀表

編號：

檢測依據(jù)

樣品數(shù)量

標(biāo)準(zhǔn)條款

試驗(yàn)時(shí)間：

試驗(yàn)溫度：

試驗(yàn)條件

及技術(shù)要

偏置電壓V：偏置電壓V：

求DSGS

其余補(bǔ)充說明：

1.

2.

…

測試結(jié)果

樣品編號試驗(yàn)前參數(shù)VDS試驗(yàn)后參數(shù)VSD

已失效

（勾選）

IGSS+IGSS-rDS(on)VGS(th)VSDIGSS+IGSS-rDS(on)VGS(th)VSD

1□

2□

3□

…□

5

T/CASAS042—202X（征求意見稿）

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T4586-1994半導(dǎo)體器件分立器件第8部分：場效應(yīng)晶體管

[2]GB/T4937.23-2023半導(dǎo)體器件機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法第23部分：高溫工作壽命

[3]T/CASAS002-2021寬禁帶半導(dǎo)體術(shù)語

[4]T/CASAS006-2020碳化