ICS31.080

CCSL40/49

團體標(biāo)準(zhǔn)

T/CASAS045—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

（SiCMOSFET）動態(tài)柵偏試驗方法

Dynamicgatestresstestmethodforsiliconcarbidemetal-oxide-

semiconductorfield-effect-transistor（SiCMOSFET）

（征求意見稿）

在提交反饋意見時，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/CASAS045—202X（征求意見稿）

引言

碳化硅(SiC)基功率金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)具有擊穿電壓高、導(dǎo)通電流大、開

關(guān)速度快、功率損耗小、高溫穩(wěn)定性好、驅(qū)動簡單等優(yōu)點，被認為是最具前景的功率半導(dǎo)體器件之一，

它具有能夠大幅提高現(xiàn)有電力系統(tǒng)的功率密度、效率、高溫工作能力以及抗輻射的能力，與此同時還降

低了系統(tǒng)的體積和重量，因此在電力電子、光伏發(fā)電、新能源等領(lǐng)域，都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。SiC

MOSFET在各類動態(tài)過程中會出現(xiàn)各類物理變化的遲滯，從而發(fā)生由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外電路的不匹配，或內(nèi)

部各結(jié)構(gòu)之間的不匹配而引發(fā)的應(yīng)力疊加，或瞬態(tài)失效問題。

特別的，在SiCMOSFET開關(guān)過程中，柵極在動態(tài)電壓應(yīng)力作用下會造成的電特性參數(shù)退化，其中閾

值電壓漂移是最嚴重的。在柵極應(yīng)力作用下的閾值電壓漂移量產(chǎn)生的機理包含不同部分，包括由于

SiC/SiO2界面固有的界面缺陷導(dǎo)致的閾值電壓漂移，由于柵氧層充電造成的閾值電壓漂移，這些閾值電

壓漂移一部分在釋放應(yīng)力后可恢復(fù)，一部分是永久存在的退化。SiCMOSFET的動態(tài)柵偏試驗是器件承受

重復(fù)正負變換的柵電壓，以使柵極界面及近界面缺陷發(fā)生的俘獲和/或釋放過程。當(dāng)柵極電壓在快速變

換過程中，由于界面態(tài)或近界面陷阱的填充或釋放速度并不足以響應(yīng)外加偏置的切換速度，導(dǎo)致局部電

場增強。氧化層在這個過程中會承受高于外加?xùn)牌妷旱膽?yīng)力，從而使得閾值電壓相較于靜態(tài)偏壓漂移

更大。柵氧層中由于電子和空穴的復(fù)合所產(chǎn)生的能量，也會破壞其附近的鍵合，導(dǎo)致缺陷的引入。動態(tài)

柵偏試驗造成的器件柵極可靠性問題是多種失效機理的復(fù)合，其中偏置應(yīng)力與所施加偏置條件的高低

電平值、頻率、占空比、切換速度等參數(shù)有很大關(guān)系，從而影響了偏置試驗的閾值電壓的漂移。因此，

在規(guī)定應(yīng)力條件下進行閾值電壓漂移程度的測試，是評估器件在實際應(yīng)用中柵極可靠性的重要手段。

現(xiàn)有的SiCMOSFET動態(tài)柵偏試驗方法并未完全從傳統(tǒng)恒定應(yīng)力可靠性試驗方法中分離，在試驗條

件、方法以及參數(shù)等重要細節(jié)內(nèi)容沒有具體規(guī)范，從而影響對SiCMOSFET器件柵極可靠性的評估，本文

件給出了適用于SiCMOSFET器件的動態(tài)柵偏試驗方法。

III

T/CASAS045—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（SiCMOSFET）動態(tài)柵偏試

驗方法

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（SiCMOSFET）動態(tài)柵偏試驗方法，包括：試

驗條件、測試方法、應(yīng)用范圍以及失效判據(jù)。

本文件適用于對SiCMOSFET柵氧質(zhì)量的評估，主要包括芯片、分立器件、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半導(dǎo)體器件分立器件第8部分場效應(yīng)晶體管

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

T/CASAS021—202X碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（SiCMOSFET）閾值電壓測試方法

3術(shù)語和定義

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gatetosourcevoltage

VGS

器件的柵極和源極之間的電壓。

柵源漏電流gate-sourceleakagecurrent

IGSS

柵極和源極之間的泄漏電流。

漏源電壓draintosourcevoltage

VDS

器件的漏極和源極之間的電壓。

閾值電壓thresholdvoltage

Vth

漏極電流達到規(guī)定低值時的柵源電壓。

閾值電壓漂移thresholdvoltageshift

?Vth

閾值電壓從試驗初始值到最終值的變化量。

1

T/CASAS045—202X（征求意見稿）

柵極電壓變化率gatevoltageratechange

dVg/dt

柵極在高電壓與低電壓之間的變換速率。

4試驗裝置

所使用的試驗裝置應(yīng)能夠提供和控制試驗范圍內(nèi)的電壓應(yīng)力、溫度和試驗時長。試驗裝置的主要組

成部分如下，見圖1：

圖1動態(tài)柵偏試驗裝置的主要組成部分

a)動態(tài)柵壓單元。動態(tài)柵偏試驗通過使樣品器件在重復(fù)高低變換的柵極電壓下來驅(qū)動器件開關(guān)，

動態(tài)柵壓單元應(yīng)能滿足高低電壓變換的頻率、變化速率以及時長要求；

b)溫度控制單元。應(yīng)滿足可設(shè)置試驗過程中需要的樣品器件工況溫度條件，并維持此溫度穩(wěn)定時

長與試驗時長一致；

c)閾值電壓測試單元。應(yīng)滿足在動態(tài)柵偏試驗前后及過程中進行閾值電壓在線監(jiān)測的功能，并通

過數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)同步記錄閾值電壓測量值；

注：建議動態(tài)柵偏試驗采用閾值電壓測試單元進行閾值電壓原位監(jiān)測，不做規(guī)定，具體解釋見附錄A。

d)數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。能夠記錄相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)，包括溫度、試驗時間、電參數(shù)測試信息和結(jié)果。

5試驗步驟

試驗方法

動態(tài)柵偏試驗方法是為了測試器件在高低切換的柵極應(yīng)力下閾值電壓漂移情況，并在試驗過程中

收集試驗數(shù)據(jù)。試驗步驟的主要組成包括，但不限于柵極電壓驅(qū)動變換、參數(shù)測試、溫度控制方法。

試驗電路

建議采用如圖2所示的SiCMOSFET的動態(tài)柵偏試驗電路。閾值電壓測試電路可選用圖4所示的閾值

電壓測試電路，或根據(jù)用戶實際需求以及設(shè)備能力進行選擇。

如圖2所示，在對樣品器件進行動態(tài)柵極電壓應(yīng)力施加過程中，高低變換的電壓應(yīng)力加在器件柵極

和源極兩端，此時漏極和源極短接。其中，柵極偏置電壓的波形示意圖如圖3所示，VH、VL為柵極偏置

的高、低電壓值，dVHdt、dVLdt為偏置電壓高低電壓切換速率，VH-surge、VL-surge為高低電壓切換時的

過沖值，推薦過沖不超過高低偏置電壓的3%。其中，90%至90%的電壓變化率為，90%至

??VLVHdVHdtVH

90%V的電壓變化率為dVdt。

LL?

如圖4所示，采用柵極和漏極短接的閾值電壓測試方法，測試電壓源通過柵源極接入電路。測試方

?

法可參考T/CASAS021。

2

T/CASAS045—202X（征求意見稿）

圖2動態(tài)柵偏試驗電路圖

圖3柵極偏置電壓波形示意圖

圖4閾值電壓測試電路圖

3

T/CASAS045—202X（征求意見稿）

試驗夾具及安裝

動態(tài)柵偏試驗裝置的構(gòu)成，包括被測器件、動態(tài)柵壓驅(qū)動、溫度調(diào)整以及閾值電壓測試電路等都會

對試驗結(jié)果有顯著的影響。動態(tài)柵偏試驗的參數(shù)測試應(yīng)盡可能反映樣品試驗的真實狀態(tài)值。

試驗條件

試驗柵極偏置電壓等條件的選擇應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的規(guī)格手冊，不應(yīng)超過產(chǎn)品的最大額定值，同時以縮短

試驗時間為原則。

試驗柵極開關(guān)頻率、占空比建議根據(jù)樣品實際應(yīng)用條件，在參數(shù)條件范圍內(nèi)選擇。柵偏循環(huán)可根據(jù)

循環(huán)次數(shù)或者時間進行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置的值與試驗失效判定條件不沖突。試驗溫度如無特殊應(yīng)用需求，

建議設(shè)置為樣品器件的最高結(jié)溫和室溫。其中，室溫為必選項，高溫可作為選做項目。進行閾值電壓原

位監(jiān)測時，需要考慮進行監(jiān)測的周期，以實際數(shù)據(jù)需求為主，原則上不能影響整體的試驗時長和結(jié)果。

表1動態(tài)柵偏試驗條件

參數(shù)數(shù)值

柵偏循環(huán)次數(shù)≥1011

溫度a)器件最高結(jié)溫；b)室溫

柵壓設(shè)置

VH=VGSMAX，VL=VGSMIN

漏源電壓

VDS=0V(柵偏試驗時)

開關(guān)頻率f≥50kHz（占空比≥20%）

dVgdt≥1V/ns

acycle/10min（建議）

Vth監(jiān)測周期

a

使用閾值電壓監(jiān)測時考慮?

試驗設(shè)置

首先，在試驗前完成樣品的電參數(shù)測試，根據(jù)試驗樣品的應(yīng)用完成各個試驗參數(shù)的選擇，以柵偏循

環(huán)次數(shù)確定實驗時長時，在試驗參數(shù)確定后，保證樣品試驗溫度達到設(shè)定值。樣品電路連接為試驗電路

（VDS=0V）即可開始試驗。試驗過程中，監(jiān)測柵極電壓偏置值以及開關(guān)頻率等，直至試驗完成設(shè)置循

環(huán)。柵極偏置循環(huán)結(jié)束，進行閾值電壓移位測試。

其中，進行閾值電壓監(jiān)測時，在試驗開始前溫度設(shè)置前后各完成一次室溫及試驗溫度下的閾值電壓

原位測試，隨后開始試驗過程中的閾值電壓原位監(jiān)測。試驗完成時，保持試驗溫度及降溫后再各進行一

次閾值電壓原位測量。

試驗控制和測量

試驗的柵極偏置電平高低（VH、VL）、開關(guān)頻率、以及dVdt在試驗前后必須保持不變，直到試驗

結(jié)束。試驗過程中對I進行監(jiān)測。對閾值電壓進行原位監(jiān)控時，需滿足在試驗前后保持試驗條件一致。

GSS?

樣品測量包括但不限于電參數(shù)測試，測量過程應(yīng)按照產(chǎn)品的詳細規(guī)范進行。

試驗結(jié)束后器件電參數(shù)測量應(yīng)在器件從規(guī)定試驗條件下移出后盡快完成，測量完成時間不超過24h。

6試驗數(shù)據(jù)處理

失效判據(jù)應(yīng)包括但不限于表2內(nèi)的參數(shù)，測試方法依據(jù)GB/T4586，測試條件按照產(chǎn)品規(guī)范測試常溫

下的參數(shù)變化，其余靜態(tài)參數(shù)如、、、,以及其它動靜態(tài)參數(shù)等，可根據(jù)具體需求選擇

IDSSBVDSSVSDgfS

測試。

4

T/CASAS045—202X（征求意見稿）

表2動態(tài)柵偏試驗方法的失效判據(jù)

失效判據(jù)

參數(shù)符號

（相對于初始值的變化率）

閾值電壓正負20%或規(guī)格手冊范圍

Vth

導(dǎo)通電阻Rdson正負20%或規(guī)格手冊范圍

500%；若初始值<10nA，則試驗后不

柵源漏電流I

GSS超過50nA

漏源漏電流IDSS500%

漏源擊穿電壓BVDSS正負20%或規(guī)格手冊范圍

7試驗報告

試驗報告至少應(yīng)給出以下幾個方面的內(nèi)容：

a)試驗樣品規(guī)格；

b)樣品數(shù)量批次；

c)試驗條件；

d)試驗時長或試驗開關(guān)次數(shù)；

e)測量間隔時長；

f)試驗過程中參數(shù)監(jiān)測結(jié)果；

g)參數(shù)測試結(jié)果。

5

T/CASAS045—202X（征求意見稿）

A

A

附錄A

（資料性）

SiCMOSFET器件動態(tài)柵偏試驗記錄表

A.1SiCMOSFET器件動態(tài)柵偏試驗記錄表

試驗記錄表如圖A.1。

表A.1高溫柵偏測試試驗表示例

產(chǎn)品名稱

組別

型號規(guī)格

檢測項目環(huán)境條件

型號：

測試儀器

計量有效期

儀表

編號：

檢測依據(jù)

樣品數(shù)量

標(biāo)準(zhǔn)條款

試驗時間：

試驗溫度：

試驗條件

及技術(shù)要

偏置電壓V：偏置電壓V：

求DSGS

其余補充說明：

1.

2.

…

測試結(jié)果

樣品編號試驗前參數(shù)試驗后參數(shù)

已失效

（勾選）

IDSSIGSSrDS(on)VGS(th)V(BR)DSSIDSSIGSSrDS(on)VGS(th)V(BR)DSS

1□

2□

3□

…□