 AccoPower 在第二部分，我们对HTGB和DGS的老化机理进行了阐述，包含缺陷生成、俘获-去俘获过程等，有了深浅能级缺陷的概念。 可靠性研究 | 从静态偏压到动态应力：功率半导体栅极可靠性评估的发展——第二部分 HTGB & DGS老化机理解析 在第三部分，我们将进一步对老化过程中Vth、gm、IGSS等特征参数的退化特点进行描述，并研究这些特点与实验参量（实验条件）之间的关系。 第三部分 HTGB/DGS参数退化特性对比 以及实验参量的影响 HTGB和DGS的参数退化表现对比： 平滑漂移与波动漂移 器件参数的退化趋势是老化机理的外在表征，HTGB和DGS在阈值电压、跨导、漏电流和C-V特性上的退化特点，呈现与应力形式对应的差异。 1.1 阈值电压Vth：幂律退化曲线与锯齿波动叠加 Vth 漂移是栅极老化最核心的监测指标。 静态HTGB下，Vth 退化曲线是一条平滑的单调上升（PBTI）或下降（NBTI）曲线，其时间演化规律遵循经典的幂律关系： ΔVth(t)=A⋅tn 其中指数n通常在 0.15~0.25 范围内，具体取值取决于陷阱能级分布和应力条件，退化曲线的典型特征是“先快后慢”：应力初期大量浅能级快陷阱被迅速填充，参数漂移变化速率高，随着时间推进，快陷阱趋于饱和，慢陷阱贡献占比增大，漂移速率逐渐下降，最终趋向饱和或极缓慢的增长。  图1 BTI应力下Delta Vth随老化时间的幂率关系 图片来源：JEP184标准 对于SiC MOSFET，PBTI效应相较于Si基器件显著得多，SiC/SiO₂界面存在密度极高的近界面氧化层陷阱，量级比Si/SiO₂界面高2-3个数量级，这些陷阱在正栅压下被电子填充，导致Vth 产生大幅度正向漂移，但这部分漂移中包含相当比例的可恢复分量——撤去栅压后，Vth 会在数us至数小时的时间内明显恢复。 动态DGS下，Vth退化在微观和宏观尺度的表现如下： 微观尺度：在每一个开关周期内，Vth理论上会跟随栅压变化产生锯齿状波动（但实际上不可能在老化过程中同步测量Vth），栅压上升电子注入，快陷阱迅速填充，Vth理论上瞬间正向跳变，栅压下降快陷阱迅速去俘获，Vth理论上迅速恢复，纹波幅值取决于浅能级快陷阱的快速充放电量。  图2 DGS老化时阈值电压演化示意图 图片来源：JEP184标准 宏观尺度：锯齿波动的“基线”持续向上漂移，基线漂移同样遵循幂律，同静态HTGB时，但幂指数和饱和值通常比静态HTGB更高。 基线漂移的物理实质是永久性深能级慢陷阱和新生界面态缺陷的不可逆累积，而齿状波动则是浅能级快陷阱可逆充放电的瞬时响应。 因此，假设如果可以老化同时检测Vth，那么它的波形因此呈现为“幂律基线 + 锯齿纹波”的复合形态。 在应力周期与缺陷响应周期近似的情况下，纹波幅值随频率升高而减小（因高频下陷阱响应恢复跟不上），随栅压摆幅增大而增大。 1.2 跨导gm：本质为沟道迁移率退化 gm 的下降主要源于两个机制：氧化层缺陷和界面态增加导致的库仑散射增强。 HTGB表现为：gm单调下降，下降速率逐步趋缓。 DGS表现为：gm单调下降，但幅度和饱和程度都比静态HTGB大，原因同Vth。 除上述散射机制外，gm退化还表现出频率依赖性——在极低频率和极高频率下退化较小，而在特定中频区间，由于界面态产生最剧烈又来不及恢复，gm下降最严重，呈现出最恶化频率特征。这一点在后面实验参量影响部分会讲到。 1.3 栅极漏电流IGSS HTGB老化时，IGSS漏电特征为： （1）初始值：本征F-N隧穿电流，通常在pA~nA量级。 （2）SILC爬升期：随陷阱累积，低场漏电流以近似幂律缓慢增大，增幅可达1~2个数量级。 （3）离散跳变期：临近击穿时，IGSS出现陡峭的微小台阶跳变。 （4）击穿突变：软击穿发生，IGSS瞬间跳升数个量级，若无电流限制，迅速转为硬击穿。 图3为一个典型的栅氧随Vgs增大击穿的IGSS曲线，虽不同于HTGB的恒电压击穿，但本质是一致的：  图3 栅氧在扫描栅压下的击穿曲线 DGS老化时，无法实时监测IGSS，只能在老化间歇卸载应力后测试，IGSS漏电特征为： （1）因每周期出现正比于 dV/dt的等效位移电流尖峰（关于位移电流的本质将在第四部分进行阐述），量级大，达安培级，其造成的新生成陷阱将直接贡献IGSS增大。 （2）因DGS时陷阱生成更快，SILC基线抬升速率更快。 （3）击穿前的IGSS量级离散度增大：因漏电路径被交变电场来回拉扯，出现撕裂和闭合。 （4）击穿时间的离散度增大，体现在韦布尔分布斜率变化，反映失效形成机理的复杂性增加。 动态DGS实验参量对退化表现的影响 动态DGS的一个关键特征是老化应力参量对退化的影响更加明显，包含频率、结温、dV/dt、占空比等。 2.1 频率f：钟形窗口效应 频率是DGS最显著、最重要的实验参量，其对退化速率的影响可以用退化速率-频率关系曲线进行描述，该曲线呈钟形，见图4，即存在一个退化最大的频率范围，两侧退化均减弱：  图4 不同频率下DGS相对HTGB的退化速率 笔者对DGS频率与退化速率的关系进行了细化分析： 首先我们定义第二部分中提到的浅能级缺陷对应的俘获/恢复过程为快俘获/快恢复，深能级缺陷对应的俘获/恢复过程为慢俘获/慢恢复，那么退化率与频率的关系曲线可以划分出9个特征段： （1）绝对充分区：此时频率低，周期长，快俘获、慢俘获、快恢复、慢恢复都有绝对充分的时间进行，俘获的电子和空穴有足够的时间去俘获，故而老化效果弱于HTGB，在该区间内，随着频率的增加，单周期内老化持续时间变短，单位时间内恢复频率增加，导致退化速率越来越低。 （2）最低退化速率点：此时快/慢俘获都能充分进行，快恢复也能充分进行，慢恢复刚好能够完全进行，即达到最大恢复量，退化速率最低。 （3）慢恢复不充分区：此时快/慢俘获都能充分进行，快恢复也能充分进行，但慢恢复已不能完全进行，即已不能达到完全恢复，故而退化速率开始抬升。 （4）快恢复刚好完成点：此时快/慢俘获都能充分进行，快恢复刚好完全进行，慢恢复已完全不能进行，老化效果只有慢俘获，故而老化速率略低于HTGB。 （5）快恢复不充分区：此时快/慢俘获都能够充分进行，但快恢复已不能完全进行，慢恢复已完全不能进行，老化效果在慢俘获基础上开始有快俘获叠加，老化速率继续抬升，老化效果超过HTGB。 （6）最高退化速率点：此时快/慢俘获都可以充分进行，但快/慢恢复都已经完全不进行，老化效果是快/慢俘获的完全叠加，退化速率最高，超过HTGB。 （7）慢俘获不充分区：此时快俘获可以完全进行，慢俘获已不能完全进行，快/慢恢复已经完全不进行，老化效果开始消减慢俘获部分，退化速率开始下降。 （8）快俘获刚好完成点：此时快俘获刚好完全进行，其余都已完全不进行，老化效果只有快俘获，故而退化速率略低于HTGB。 （9）快俘获不充分区：此时快俘获都已经不能完全进行，随着频率的再增加，甚至没有任何俘获可以发生，完全失去老化效果。 由上面分析可知，DGS老化效果随频率的增长/削弱过程本质是快、慢俘获/恢复各自充放电时间τ与应力周期大小的适应变化过程，即从完全进行——刚好进行——不完全进行——完全不进行的变化过程，退化率在图片上表现为钟罩形状。 最高退化率对应的频率范围即为最恶劣频率窗口，它的具体位置取决于器件的陷阱能级分布和温度，对于SiC MOSFET，典型窗口可能在数十kHz至数百kHz量级。 工程意义：若器件或系统的典型开关频率恰好落入最恶化窗口，其实际栅极寿命将显著低于基于HTGB的预期，甚至低于DGS的评估结果，在实际应用时应该避免特定温度下的频率“雷区”。 2.2 结温Tj：热激活加速影响因子 结温是HTGB和DGS共有的加速因子，但其作用在动态DGS条件下更为复杂。 结温对基线漂移ΔVth的影响： （1）漂移速率随温度升高而增大，大致遵循Arrhenius关系： ΔVth ∝ exp(−Ea/KT) 其中 Ea 为化学激活能（通常在0.1~0.5 eV范围，取决于陷阱能级和器件类型）。 （2）高温通过两个途径加速不可逆损伤： ① 增强界面Si-H键的热断裂速率； ② 加速氢和缺陷在氧化层中的活性，使新生成的界面态和陷阱更难以与其结合恢复。 （3）永久损伤缺陷占比随温度升高而增大，低温下可恢复缺陷占比较大，高温下不可恢复缺陷占比显著提升。 结温对最恶化频率窗口的影响： 2.1节中提到的最恶化频率窗口，根据τ与T的关系式τ=τ0exp(Ea/kT)，可知，温度升高缺陷充/放电时间减小，因此，最恶化频率窗口随温度升高而向高频移动，即在室温下退化最严重的频率，在高温下可能已不再是危险区，反之亦然。 该效应将影响实验充分性：不同温度下的最恶化频率会发生漂移，要想真正做到最恶化条件下的实验，先要对结温和最恶化频率的关系进行研究，这本身又是一项极具挑战且工作量巨大的实验。 结温对纹波幅值的影响： 温度升高使浅能级陷阱响应加快，在同样频率下能够更充分地充放电，恢复阶段的去俘获也更彻底，因此纹波幅值通常略有增大。 2.3 栅压变化率dV/dt：表征位移电流强度 dV/dt对基线漂移的影响：dV/dt（即栅压变化率）是纯动态实验参量，静态HTGB中数值为零，该参数对老化效果的影响主要体现在基线漂移上，退化量随 dV/dt增大而单调增加，物理机制有以下两个： ① 根据公式Idisp=Cox⋅dV/dt，高 dV/dt将导致更大的位移电流，使载流子在几何结构边缘电场中获得更多动能，使低能热载流子注入增强。 ② 极快的电压变化加剧电致伸缩机械应力，极大促进氧化层微缺陷的形成和扩展。 这两个因素都会促使参数的基线漂移更快更大地发生。 2.4 占空比：单周期内应力与恢复时间的权重 占空比定义为栅压处于高电平（应力）的时间占整个开关周期的比例，其对参数的影响主要体现在基线漂移： （1）退化量随占空比增大而单调增加，通常呈近似幂律。 （2）占空比增加意味着每周期内应力时间延长，恢复时间缩短，导致浅能级陷阱恢复不充分，深能级陷阱恢复越来越不可能，进而净不可逆损伤累积加速。 （3）在极低占空比下，退化主要由高电平期间的快俘获产生，慢俘获几乎不进行，快恢复能够充分进行，因此净退化小。 （4）在极高占空比下，所有恢复都来不及进行，近似静态HTGB水平，是动态应力的退化上限。 2.5 栅压幅值：退化速率决定因素 栅压峰值（正压）和谷值（负压）之间的幅值是决定氧化层电场峰值的核心参数，注意这里强调的是电场尖峰而不是平均场强，与平均场强相比，电场尖峰才是疲劳、撕裂Si-H键形成更多陷阱的更大促进因素，故而退化量与幅值呈强线性关系。 上述各应力参量的效应都叠加在栅压幅值这一基础强度因子上，幅值决定了每一周期内的潜在缺陷损伤上限，而频率、占空比、dv/dt等参量则决定了这一潜在上限被实现的速率。 在本部分中，我们对Vth、gm、IGSS在HTGB和DGS老化过程中的表现差异进行了描述，然后对DGS的实验参量——频率、结温、dV/dt、占空比和幅值的影响机理进行了阐述，其中最重要的是对最恶化频率区间的形成本质进行了讨论。 本部分最大意义在于帮助大家了解了实验参量将如何影响特征参数的退化，使大家对实验结果能够进行预测，进而指导实验设计。 |
