第三代寬能隙WBG橫空出世　碳化矽SiC高品質/高可靠性成真

從MOSFET、二極體到功率模組，功率半導體產品是生活中無數電子設備的核心。從醫療設備和可再生能源基礎設施，到個人電子產品和電動汽車(EV)，它們的性能和可靠性確保了各種設備的持續運行。

第三代寬能隙(WBG)解決方案是前瞻半導體技術，如使用碳化矽(SiC)。與傳統的矽(Si)晶體管相比，SiC的優異物理特性使基於SiC的系統能夠在更小的外形尺寸內顯著減少損耗並加快開關速度。

由於SiC在市場上相對較新，一些工程師在尚未確定該技術可靠性水準之前，對從Si到SiC的轉換猶豫不決。但是，等待本身也會帶來風險－由於碳化矽可提高性能，推遲採用該技術可能會導致喪失市場競爭優勢。

在本文中，我們將探討SiC半導體產品如何實現高品質和高可靠性，以及SiC製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構，相比之下，Si的原子結構為較弱的金剛石型。這種結構差異使得SiC在高溫下具有更高的機械穩定性、出色的熱導率、較低的熱膨脹係數以及更寬的能隙。

各層間能隙的增加導致半導體從絕緣狀態切換到導電狀態的臨界值更高。第三代半導體的開關臨界值介於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臨界值介於0.6eV和1.5eV之間(圖1)。

就性能而言，寬能隙半導體的崩潰電壓明顯更高，對熱能的敏感性也更低。因此，與矽半導體相比，它們具有更高的穩定性、更強的可靠性、透過減少功率損耗提高效率，以及更高的溫度臨界值。

對於電子產業來說，這可以提高現有設計的效率，並促進電動車和可再生能源轉換器往更高電壓發展。這將帶來更多益處，如減少原材料和冷卻要求(由於相同功率下電流減小)、減小系統尺寸和重量，以及縮短電動車的充電時間(圖2)。

了解半導體可靠性
MOSFET、二極管或功率模組發生故障會帶來災難性後果。對於直流快充、電池儲能系統和工業太陽能逆變器等關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。在元件的整個使用壽命期間，功率迴圈、熱不穩定性和瞬態、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。

偏壓溫度不穩定性(BTI)
BTI是影響矽產品可靠性的一種常見老化現象。當在介電介面或其附近，由於介面陷阱電荷的產生，這種現象會導致「導通」電阻增加，從而降低臨界值電壓，減慢開關速度。

負偏壓溫度不穩定性(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。這一點對於閘極至源極電壓為負值或對閘極施加負偏壓的零組件尤為明顯。

時依性介電層崩潰(Time-Dependent Gate Oxide Breakdown, TDDB)
TDDB是指在工作過程中，由於持續施加的電偏壓和地球電磁輻射的影響，閘極氧化物有可能受損的現象。這是一種基於老化的失效機制，會限制半導體產品的使用壽命。

功率和熱影響
零組件上劇烈的功率迴圈會增加MOSFET的暫態應力，並可能產生超過崩潰電壓的電壓尖峰。雖然抑制措施有助於隨時間減少浪湧效應，但即使是減弱了的動態應力仍會影響零組件的可靠性。

由於半導體材料的結構本身是其運行的關鍵，當載板的不同區域以不同的速度冷卻和收縮時，激烈和反覆的熱迴圈會導致元件損壞。

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」狀態下的電阻增加，這是由於體二極管正向偏置時流過的電流觸發的。這種老化有時也表現為前向電壓漂移或關斷狀態漏電流增加。最常見的是由於現有磊晶層基底面位錯(BPDs)的啟動所引起，透過合理設計磊晶層並在生產過程中進行掃描可以預防這種啟動。

確保半導體可靠性
對於SiC製造商之一的安森美(onsemi)而言，要確保SiC產品能夠滿足下一代應用的性能要求，就必須針對SiC結構量身定製廣泛的品質和可靠性專案。
要認識到SiC的局限性，而確定其可靠的工作條件，瞭解其失效模式和機制至關重要。透過追溯這些失效模式和機制，並加以深入分析、可以發現弱點並制定糾正措施。

計畫基礎與合作
由於許多高性能的SiC應用還涉及到具有長生命周期的系統，因此至關重要的是，SiC的測試要密切符合應用的預期。
為了加深對碳化矽材料失效模式的瞭解，安森美的品質專案囊括了多元化的團隊，其中包括參與前端製造、研發、應用測試和失效分析的人員。透過與世界各地的大學和專業研究中心合作，此專案得到了進一步加強。

晶圓品質認證
晶圓品質認證(也稱為內在品質認證)主要關注晶圓製造過程，其目的是確保按照合格流程加工的所有晶圓都具有穩定的內在高可靠性水準。這或許是任何SiC可靠性中最關鍵的因素，因為晶圓缺陷既可能導致封裝時出現故障，也可能在產品的後期壽命中出現問題。為確保長期的可靠性，廠商如安森美開發了一系列方法，包括視覺和電子篩選工具，旨在消除有缺陷的晶粒。

晶圓製造工藝流程始於載板掃描，在此過程中使用座標跟蹤和自動分類技術來識別和跟蹤缺陷。在整個生產過程中，多次檢驗掃描用於在關鍵步驟中識別潛在缺陷(圖3)。

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，以及動態部件平均值測試，以消除電氣異常值。最後，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產品的開發過程中，還是在產品的持續生產過程中，半導體廠商需要進行一系列的測試，旨在測試整個生產過程(晶圓製造、產品封裝和應用測試)的品質和可靠性。

崩潰電荷(QBD)測試
安森美使用QBD作為評估閘極氧化物品質的一種直接而有效的方法，與閘極氧化物厚度無關。安森美的方法是在室溫下對正向偏置閘極施加5mA/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，能夠檢測到內在分布中的細微差異。圖4顯示了平面SiC和Si閘極氧化物內在性能對比測試結果。

在比較內在QBD的性能(與閘極氧化物厚度無關)時，在相同標稱厚度下，安森美平面SiC的內在性能比Si提高了50倍。這顯示了SiC在性能和可靠性方面的巨大躍升。

在生產過程中，每批產品的閘極氧化物品質是透過將SiC MOSFET產品晶粒的採樣QBD與大面積(2.7x2.7mm)NMOS電容器進行對比來評估的，並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工作條件。圖5展示了一個SiC生產MOSFET的TDDB測試數據示例。該元件在175°C的溫度下經受了一系列閘極電壓和與電子俘獲相關的氧化物電場的影響。

即使採用保守的模型，在閘極電壓為21V的情況下，預測的失效時間為20年，這遠高於該型號規定的工作電壓(18V)。

跨職能方法體系
除了QBD和TDDB測試之外，安森美還在公司內部以及與獨立的學術研究人員合作，進行一系列廣泛的實驗。

包含雙極性老化、動態應力測試和BTI老化測試在內的全套測試流程，構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品進行全面測試。因此其SiC產品可以—提高效率、加快開關速度、支援更高電壓以及增強可靠性，以更精確地符合客戶的系統要求。

2023年11月，安森美在斯洛伐克的Piestany開設了先進的電動車系統應用實驗室，進一步擴大其應用測試範圍。該實驗室旨在為電動車和可再生能源逆變器下一代系統解決方案的開發提供支援。該實驗室包括各種專有測試設備和來自AVL等製造商的解決方案。

碳化矽為市場準備就緒的技術
大規模採用SiC還將面臨一些挑戰，例如半導體製造商要跟上需求的步伐，由於有了廣泛的測試專案，電子產業應該不會對SiC的可靠性和性能感到擔憂。

對於日益增多的高要求應用，包括電動車和可再生能源轉換器，SiC技術應成為工程師的首選。過去，對於電子工程師來說，要找到在投放市場後，立即在性能和可靠性方面實現躍升的元件和應用級解決方案極具挑戰性，但SiC技術卻可以做到這一點。

(本文作者為安森美寬能隙可靠性與品質保證總監)