T CASAS TR 002 SIC MOSFET 功率器件的应用可靠性评估技术体系报告

技术报告 T/CASAS/TR002—2023 SiCMOSFET功率器件的应用可靠性评价技术体系报告 ReportonAppliedReliabilityEvaluationTechnologySystemofSiCMOSFETPowerDevices 版本：V01.00 2023-05-26发布 第三代半导体产业技术创新战略联盟发布 第三代半导体产业技术创新战略联盟 T/CASAS/TR002-2023 目录 前言V 引言VI 1概述1 1.1SiCMOSFET功率器件1 1.1.1SiCMOSFET功率器件产品的商业化1 1.1.2SiCMOSFET功率器件发展趋势1 1.2SiCMOSFET功率器件可靠性评价的挑战3 参考文献4 2SiCMOSFET器件可靠性因素分析6 2.1SiC晶圆关键工艺可靠性因素分析6 2.1.1SiC晶体缺陷6 2.1.2SiCMOSFET离子注入、刻蚀、欧姆接触7 2.1.3SiCMOSFET栅氧界面8 2.2SiCMOSFET芯片发展趋势与可靠性分析10 2.2.1结终端技术10 2.2.2沟槽型SiCMOSFET11 2.2.3SiCMOSFET特征参数及芯片失效模式13 2.2.4SiCMOSFET芯片的一些评估方法15 2.3SiCMOSFET封装级可靠性问题17 2.3.1SiCMOSFET封装结构17 2.3.2SiCMOSFET封装材料24 2.3.3SiCMOSFET封装级失效模式25 第三代半导体产业技术创新战略联盟 参考文献25 3.SiCMOSFET开关应力可靠性28 3.1动态栅极偏置应力可靠性研究28 3.1.1概述28 3.1.2试验方法和电路28 3.1.3可靠性机理研究现状29 3.2短路应力可靠性研究32 3.2.1概述32 3.2.2短路类型和测试平台32 3.2.3可靠性机理研究现状36 I 第三代半导体产业技术创新战略联盟 T/CASAS/TR002-2023 3.3雪崩可靠性研究39 3.3.1概述39 3.3.2试验方法和电路40 3.3.3可靠性机理研究现状42 3.4浪涌可靠性研究45 3.4.1概述45 3.4.2试验方法和电路45 3.4.3可靠性机理研究现状48 3.5辐照可靠性研究49 3.5.1概述50 3.5.2测试原理及测试方法51 3.5.4可靠性机理研究现状54 参考文献57 4SiCMOSFET应用与可靠性提升方法60 4.1SiCMOSFET应用概况60 4.1.1SiCMOSFET应用预测分析60 4.1.2典型应用的拓扑电路61 4.1.3SiCMOSFET应用中的典型工作状态62 4.1.4SiCMOSFET应用电路的主要设计参数63 4.2面向汽车应用的典型场景63 4.2.1车载用SiC功率器件需求分析63 4.2.2车载充电机OBC64 4.2.3电机控制器66 4.2.4直流充电桩66 4.3面向能源领域电力转换应用场景67 4.3.1能源领域SiC功率器件需求分析67 第三代半导体产业技术创新战略联盟 4.3.2典型应用的拓扑电路70 4.3.3光伏逆变器71 4.3.4柔直换流阀72 4.3.5高压直流断路器73 4.3.6其他能源领域的应用74 4.4SiCMOSFET驱动层面提升应用可靠性75 4.4.1SiCMOSFET驱动——隔离要求75 4.4.2SiCMOSFET驱动——串扰77 4.4.3Kelvin连接78 4.5SiCMOSFET过流和短路保护提升应用可靠性79 II 第三代半导体产业技术创新战略联盟 T/CASAS/TR002-2023 参考文献82 5SiCMOSFET车规级可靠性评价标准分析85 5.1现有标准概述85 5.1.1AECQ101简介85 5.1.2AQG324简介86 5.2可靠性及寿命试验种类88 5.2.1功率循环PC88 5.2.2高温反偏HTRB96 5.2.3高温栅偏HTGB98 5.2.4高温高湿反偏H3TRB100 5.2.5动态偏置可靠性试验101 5.3SiC可靠性及寿命试验中的挑战103 参考文献107 6SiCMOSFET的寿命预测研究110 6.1多物理场耦合仿真模拟110 6.2寿命及可靠性预测模型及方法111 6.2.1基于失效物理的寿命预测研究112 6.2.2基于人工智能算法的寿命预测研究115 6.2.3数字孪生技术117 6.3寿命及可靠性预测方法研究展望120 参考文献121 7SiCMOSFET可靠性评价标准体系建立的工作建议124 7.1Si器件标准体系不完全适用于SiC，可靠性评价方法是评价体系建立的基础124 7.1.1国际标准化组织积极推出SiCMOSFET可靠性评价指南124 7.1.2不同产业链环节、不同的目的标准侧重点各有不同125 7.2SiCMOSFET可靠性评价方法建立127 第三代半导体产业技术创新战略联盟 7.2.1SiCMOSFET可靠性试验的标准建立思路127 7.2.2覆盖应用工况127 7.2.3覆盖使用周期128 7.2.4考虑碳化硅MOS器件与硅基器件的差异128 7.2.5SiCMOSFET标准布局建议128 7.3标准化工作建议129 III 第三代半导体产业技术创新战略联盟 T/CASAS/TR002-2023 前言 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由北京第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）制定发布，版权归CASA所有，未经CASA许可不得随意复制；其他机构采用本文件的技术内容制定标准需经CASA允许；任何单位或个人引用本文件的内容需指明本文件的标准号。 本文件主要起草单位及起草人： 复旦大学樊嘉杰雷光寅刘盼侯欣蓝陈威复旦大学宁波研究院祝曦左元慧 东南大学魏家行 浙江大学邵帅王珩宇董泽政中电科第十三研究所迟雷 重庆大学李辉 华北电力大学赵志斌北京智慧能源研究院李金元北京工业大学郭春生 合肥工业大学邓二平 中国科学院微电子研究所侯峰泽深圳市禾望电气股份有限公司谢峰 泰科天润半导体科技(北京)有限公司李志君泰克科技（中国）有限公司孙川 第三代半导体产业技术创新战略联盟高伟 第三代半导体产业技术创新战略联盟 感谢工业和信息化部电子第五研究所陈媛研究员、中国科学院电工研究所张瑾副研究员、浙江大学吴新科教授、北京世纪金光半导体有限公司于坤山副总裁、智新半导体有限公司王民研发部工艺工程师等专家的热心指导。 文件起草过程中，得到了很多老师的不计回报的无私帮助，收获感动无数，不一一细数。心所向，同携手，共未来！ V 第三代半导体产业技术创新战略联盟 第三代半导体产业技术创新战略联盟 T/CASAS/TR002-2023 引言 经过10余年的发展，SiC功率器件逐步成熟，为进入大众市场打开了大门。SiCMOSFET功率器件的高频、高压、耐高温、开关速度快、损耗低等特性，使电力电子系统的效率和功率密度朝着更高的方向前进。 希望以此报告的编写，衔接SiCMOSFET产业链上中下游，助力产业对该器件可靠性的统一认识，凝聚力量，助力SiCMOSFET电力电子应用的规模开启。 由于时间仓促，编写者水平有限，恳请广大的产业一线工作人员及专家们批评指正。 VI 第三代半导体产业技术创新战略联盟 T/CASAS/TR002—2023 SiCMOSFET功率器件的应用可靠性评价技术体系报告 1概述 1.1SiCMOSFET功率器件 1.1.1SiCMOSFET功率器件产品的商业化 功率器件是电力电子技术的核心，在电力电子技术朝着高频、高功率密度发展的方向上扮演着至关重要的角色。目前，硅(silicon，Si)器件的发展已经十分成熟，在600V以下的应用，Si基金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor，MOSFET)占据主流，而Si基超级结器件和绝缘栅双极型晶体管(InsulatorGateBipolarTransistor，IGBT)则主导了0.6~6.5kV的高压应用市场。尽管如此，受限于硅材料特性的限制，硅器件的发展空间已经较为有限。例如，目前Si基IGBT耐压极限为6.5kV，工作温度低于175℃，且由于双极性导通模式，器件开关速度较低，限制了其在高频应用中的推广。 近20多年来，碳化硅(SiliconCarbide，SiC)作为一种宽禁带功率器件，受到人们越来越多的关注。与硅相比，碳化硅具有很多优点，如：碳化硅的禁带宽度更大，这使碳化硅器件拥有更低的漏电流及更高的工作温度，抗辐照能力得到提升；碳化硅材料击穿电场是硅的10倍，因此，其器件可设计更高的掺杂浓度及更薄的外延厚度，与相同电压等级的硅功率器件相比，导通电阻更低；碳化硅具有高电子饱和速度的特性，使器件可工作在更高的开关频率；同时，碳化硅材料更高的热导率也有助于提升系统的整体功率密度。碳化硅器件的高频、高压、耐高温、开关速度快、损耗低等特性，使电力电子系统的效率和功率密度朝着更高的方向前进。 第三代半导体产业技术创新战略联盟 SiCMOSFET是一种具有绝缘栅结构的单极性器件，关断过程不存在拖尾电流，降低了开关损耗，进而减小散热器体积；并且其开关速度快，开关频率高，有利于减小变换器中电感和电容的体积，提高装置的功率密度，有效降低装置的系统成本。然而器件因为在栅氧界面会引入碳团簇，引起栅氧界面态密度较高，导致沟道电阻大。针对栅氧界面，国际上众多团队在20多年的时间中进行了大量实验，2000年Chung等人报道了通过一氧化氮(NO)退火的方式将沟道迁移率提高至接近20cm2/V·s的方案，栅氧可靠性也因为界面态的钝化工艺而得到了提升。随着栅氧工艺的日益成熟，2010年起各公司相继推出SiCMOSFET产品[1]。 经过10余年的发展，SiCMOSFET器件基本成熟，为进入大众市场打开了大门。 1.1.2SiCMOSFET功率器件发展趋势 （1）芯片结构不断优化 按照芯片栅极结构，SiCMOSFET功率器件可分为平面型栅极结构、沟槽型栅极结构，如图1-1所示；平栅型SiCMOSFET技术相对成熟，已经获得了广泛应用，但平面栅型MOSFET沟道迁移率低，且导通电阻较大，不利于电子器件向小型化、轻量化发展。沟槽型MOSFET需要在外延层上刻蚀形成沟槽，在沟槽表面通过氧化形成栅氧化层，沟槽结构可以增加单元密度，没有JFET效应，寄生电容更 1 T/CASAS/TR002—2023 小，开关速度快，开关损耗非常低；而且，通过选取合适沟道晶面以及优化设计的结构，可以实现最佳的沟道迁移率，明显降低导通电阻。因在SiCMOSFET的发展过程中，不断面临挑战，例如工艺水平、栅氧可靠性等问题，产业界也不断有厂商提出新的器件结构解决部分问题，不同企业的典型沟槽结构如图1-2所示，设计出高性能沟槽型SiCMOSFET是SiC器件发展的必经之路。 图1-1SiCMOSFET平面型和沟槽型栅极结构示意图 图1-2不同企业SiCMOSFET沟槽型结构示意图 第三代半导体产业技术创新战略联盟 总体上，国际上多家企业已经实现SiCMOSFET器件的商业化，并已逐步推出沟槽型SiCMOSFET器件。而国内的SiCMOSFET器件基本采用平面栅MOSFET结构，研发进度相对落后，工艺技术的不成熟与器件可靠性是国内SiCMOSFET器件的主要问题。 （2）适用于高频高温高功率密度的封装材料与结构是研究热点 目前已有的大部分商用SiC器件仍采用传统Si器件的封装方式，而传统封装技术应用于碳化硅器件时面临着一些关键挑战。 碳化硅器件的结电容更小，栅极电荷低，因此，开关速度极快，开关过程中的dv/dt和di/dt均极高。虽然器件开关损耗显著降低，但传统封装中杂散电感参数较大，在极高的di/dt下会产生更大的电压过冲以及振荡，引起器件电压应力、损耗的增加以及电磁干扰问题。在相同杂散电容情况下，更高的dv/dt也会