SiC MOSFET 閾值電壓測(cè)試技術(shù)研究

桂明洋，遲雷，焦龍飛，安偉

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所,石家莊 050051；2.國(guó)家半導(dǎo)體器件質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心,石家莊 050051）

引言

SiC MOSFET 作為第三代半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件，在整流、逆變電路中作用關(guān)鍵，以其高溫、高速、高效率成為當(dāng)前新能源領(lǐng)域中最具市場(chǎng)前景的半導(dǎo)體產(chǎn)品之一。目前困擾SiC MOSFET 產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的首要問(wèn)題在于柵氧可靠性及柵氧界面效應(yīng)引起的閾值電壓不穩(wěn)定，目前該問(wèn)題尚未通過(guò)工藝手段解決，仍然依賴于各類(lèi)柵氧相關(guān)的可靠性試驗(yàn)及環(huán)境試驗(yàn)?？煽啃栽囼?yàn)、環(huán)境試驗(yàn)前后的參數(shù)測(cè)試是得到衡量試驗(yàn)應(yīng)力的定量數(shù)據(jù)的關(guān)鍵步驟，在試驗(yàn)過(guò)程中，準(zhǔn)確、可重復(fù)地測(cè)試各型產(chǎn)品的閾值電壓成為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果、保障SiC MOSFET 高可靠應(yīng)用的必要條件。然而，閾值電壓不穩(wěn)定給測(cè)試帶來(lái)了困擾，常規(guī)條件的測(cè)試過(guò)程本身引入的短時(shí)電應(yīng)力就足以使產(chǎn)品閾值電壓發(fā)生改變，盡管不同機(jī)構(gòu)規(guī)定的測(cè)試條件一致，但因使用了不同測(cè)試電路、測(cè)試方法乃至測(cè)試時(shí)序，得到的閾值電壓之間不具有可比性，不僅影響試驗(yàn)效應(yīng)的定量分析，還削弱了檢測(cè)結(jié)果的公信力，同時(shí)在依照這些測(cè)試結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候也存在風(fēng)險(xiǎn)，常常需要留出較高設(shè)計(jì)裕量，不僅浪費(fèi)系統(tǒng)資源，還使產(chǎn)品無(wú)法發(fā)揮最佳性能。

閆美存等[1]歸納了SiC MOSFET 參數(shù)體系及測(cè)試方法，將閾值電壓列為第一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，并介紹了閾值電壓發(fā)生漂移的機(jī)理。高偉等[2]討論了SiC MOSFET 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析了閾值電壓標(biāo)準(zhǔn)的制定情況，討論了柵壓預(yù)偏置測(cè)試中對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響因素。韓忠霖等[3]討論了平面柵工藝對(duì)閾值電壓的影響，Yumeng Cai 等[4]比較了平面柵和溝槽柵的閾值電壓不穩(wěn)定情況。陳杰等[5]討論了在功率循環(huán)過(guò)程中抑制閾值電壓漂移的方法。熊一等[6]在高溫柵偏試驗(yàn)中采用了一種正負(fù)預(yù)偏置交替的方式監(jiān)測(cè)閾值電壓。王臻卓等[7]詳細(xì)討論了這種測(cè)試方案，將閾值電壓定義為正負(fù)偏置后分別測(cè)試的平均值。本文收集討論了目前SiC MOSFET 閾值電壓測(cè)試相關(guān)的各種方法，比較了這些方法的差異和優(yōu)缺點(diǎn)，并基于目前業(yè)內(nèi)的商用測(cè)試儀器分析了這些方法的適用性，探討適合于當(dāng)前工程化應(yīng)用的閾值電壓測(cè)試技術(shù)。

1 閾值電壓的常規(guī)測(cè)試方法

常規(guī)的閾值電壓測(cè)試方法為直接電壓掃描法。電路圖如圖1 所示，該電路主要由兩個(gè)電源-測(cè)量單元（SMU）構(gòu)成，其中SMU1 用于對(duì)柵極施加掃描電壓，SMU2 用于在漏極施加恒定的激勵(lì)電壓。閾值電壓的定義為MOSFET 在臨界導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓，測(cè)試時(shí)需規(guī)定一個(gè)漏極電流接近0 的臨界值作為閾值電流，通過(guò)柵極電壓的掃描，當(dāng)漏極電流達(dá)到規(guī)定的閾值電流時(shí)，即確定此時(shí)的柵極電壓為閾值電壓。

圖1 雙電壓源掃描法測(cè)試電路

早期時(shí)規(guī)定閾值電流為固定值，如1uA，這種規(guī)定方式未考慮器件的芯片尺寸、功率容量的差異，相對(duì)誤差隨器件種類(lèi)不同而變化，測(cè)量結(jié)果的可比性差。為保持標(biāo)準(zhǔn)定義的一致性、考慮芯片的不同尺寸，閾值電流可取為飽和導(dǎo)通電流的固定比值，如0.025 %。

目前批量產(chǎn)品的檢驗(yàn)篩選絕大部分都是依據(jù)圖1 電路進(jìn)行閾值電壓測(cè)試。該電路的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單直觀、復(fù)用性強(qiáng)，只需要在漏源電流達(dá)到閾值電流規(guī)定值時(shí)讀數(shù)記錄即可，柵極和漏極采用兩個(gè)單獨(dú)的SMU，可以通過(guò)儀器程控實(shí)現(xiàn)各種不同的測(cè)量功能。除了可以測(cè)試閾值電壓外，只要SMU 的負(fù)載能力和量程滿足需要，采用相同的電路連接方式可以一次性測(cè)試MOSFET 的幾乎全部靜態(tài)參數(shù)，從而在進(jìn)行批量測(cè)試時(shí)極大地提高效率，因而目前應(yīng)用最為廣泛。

常規(guī)方法的局限性在于缺少對(duì)SiC MOSFET 閾值電壓不穩(wěn)定的針對(duì)性設(shè)計(jì)，掃描過(guò)程比較緩慢，存在測(cè)量過(guò)程影響測(cè)試結(jié)果的問(wèn)題。直接電壓掃描法的測(cè)量速度取決于柵壓掃描的步長(zhǎng)和單步掃描速度。在某些Si 器件的偏置溫度應(yīng)力（BTI）測(cè)試中已經(jīng)采用了微秒甚至納秒以下的單步掃描速度來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)移曲線測(cè)試，但過(guò)快的測(cè)試速度會(huì)導(dǎo)致電流結(jié)果的畸變，再加上碳化硅器件在測(cè)試過(guò)程中本身就會(huì)有遲滯效應(yīng)引起的閾值電壓漂移，這類(lèi)超快掃描技術(shù)目前還不成熟。就目前主流的半導(dǎo)體器件分析儀而言，其掃描脈寬極限約為50 us，為獲取合理的閾值電壓分辨率，掃描速度最快在1 s 左右，實(shí)際應(yīng)用中掃描時(shí)間則更長(zhǎng)。在秒級(jí)的時(shí)間尺度下，測(cè)試時(shí)柵極電壓掃描過(guò)程引入的電應(yīng)力本身會(huì)造成閾值電壓發(fā)生漂移。

直接電壓掃描法的局限性限制了其在柵極應(yīng)力試驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用，業(yè)內(nèi)提出了一系列關(guān)于閾值電壓提取方式、測(cè)試電路的改良方案，以適應(yīng)不同的測(cè)試需求。

2 閾值電壓提取方式的改良

2.1 曲線擬合法

閾值電壓的曲線擬合法是根據(jù)MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性曲線設(shè)計(jì)的，漏極電流和柵極電壓在飽和區(qū)和線性放大區(qū)的轉(zhuǎn)移特性曲線可以分別建立近似線性關(guān)系，提取出閾值電壓，因此又分為飽和區(qū)曲線擬合法和線性放大區(qū)曲線擬合法。其擬合原理都是依據(jù)曲線的近似線性關(guān)系進(jìn)行外推，得出使漏極電流趨于0 的柵極電壓臨近值，作為閾值電壓。

飽和區(qū)的函數(shù)關(guān)系為：

線性放大區(qū)的函數(shù)關(guān)系為：

當(dāng)芯片規(guī)格一定時(shí)，Z、μ、C、L 均為常量，根據(jù)以上關(guān)系，在飽和區(qū)曲線存在近似線性關(guān)系，在線性放大區(qū)IDS-VGS曲線存在近似線性關(guān)系。飽和區(qū)IDS與VDS無(wú)關(guān)，只取決于VGS，因物理關(guān)系簡(jiǎn)單，該方法更為常用。而線性放大區(qū)的IDS還與VDS關(guān)，要滿足上述近似線性關(guān)系，不僅需保持VDS恒定，還要滿足VDS遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于（VGS-Vth），使器件保持在放大區(qū)工作模式。

曲線擬合法與直接電壓掃描法對(duì)閾值電流的規(guī)定方式存在原理性差異，但并不沖突。直接電壓掃描法定義了閾值電流，曲線掃描法不定義固定的閾值電流，而是根據(jù)一個(gè)漏極電流趨于0 的理想臨界值確定閾值電壓，實(shí)際此時(shí)閾值電壓對(duì)應(yīng)的漏極電流并不完全為0，仍然是一個(gè)接近0 的臨界值。理想狀態(tài)下，近似線性關(guān)系的曲線僅需數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)即可完全確定，曲線掃描法的測(cè)試速度遠(yuǎn)高于直接電壓掃描法。

2.2 線性插值法

線性插值法采用直接電壓掃描法的方式進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)吸收了曲線擬合法應(yīng)用近似線性關(guān)系進(jìn)行擬合的思想，目的是擴(kuò)大電壓掃描步長(zhǎng)、減少掃描點(diǎn)數(shù)，從而提高測(cè)試效率。MOSFET 在臨界開(kāi)啟時(shí)的工作模式被稱為弱反轉(zhuǎn)區(qū)，線性插值法以數(shù)十倍于直接掃描法的電壓步進(jìn)，掃描弱反轉(zhuǎn)區(qū)的轉(zhuǎn)移特性。不同于曲線擬合法使用的飽和區(qū)和線性放大區(qū)，在弱反轉(zhuǎn)區(qū)IDS與VGS的函數(shù)關(guān)系較為復(fù)雜，不存在嚴(yán)格的線性關(guān)系，而是對(duì)漏極電流IDS取對(duì)數(shù)后，使用log（IDS）-VGS關(guān)系曲線可獲得局部的近似線性，即兩個(gè)相鄰掃描點(diǎn)之間的曲線是符合近似線性的，以此進(jìn)行插值運(yùn)算。假設(shè)使漏極電流IDS穿越閾值電流前后的兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的柵極電壓分別為VGS（i）、VGS（i+1），對(duì)應(yīng)的漏極電流分別為IDS（i）、IDS（i+1）則擬合得到的閾值電壓為：

基于弱反轉(zhuǎn)區(qū)的線性插值法對(duì)閾值電壓的定義與直接電壓掃描法完全相同，在測(cè)試結(jié)果可靠性方面也相當(dāng)。一般在（10～25）mV 的測(cè)試步進(jìn)下線性插值法可獲得良好的擬合精度，在保持與直接電壓掃描法相同的理論測(cè)試精度的同時(shí)，提高數(shù)十倍的測(cè)試速度。

基于以上線性插值法的原理，可實(shí)施快速的單點(diǎn)測(cè)試，適用于應(yīng)力試驗(yàn)期間閾值電壓退化的監(jiān)測(cè)。在短時(shí)柵極應(yīng)力試驗(yàn)前后，器件閾值電壓發(fā)生漂移，在弱反轉(zhuǎn)區(qū)主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)移特性曲線的平移，而斜率基本不變。在線性插值法中預(yù)先測(cè)得弱反轉(zhuǎn)區(qū)轉(zhuǎn)移特性曲線后，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)時(shí)可以僅在閾值電壓目標(biāo)范圍內(nèi)進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)試，即可根據(jù)應(yīng)力試驗(yàn)前測(cè)得的斜率，即可估算應(yīng)力作用后的閾值電壓。該方式雖然難以保證較高精度，但因?yàn)閮H需要單點(diǎn)測(cè)試，在測(cè)試速度上有傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，在精細(xì)的應(yīng)力試驗(yàn)中能有效減小測(cè)試過(guò)程影響。但柵極應(yīng)力試驗(yàn)種類(lèi)繁多，應(yīng)力的作用也不盡相同，在應(yīng)用時(shí)需要先行驗(yàn)證上述關(guān)系的適用性。

2.3 非弛豫法

非弛豫法是一種非直接測(cè)量的方法，其測(cè)試原理仍然依據(jù)器件的轉(zhuǎn)移特性，通過(guò)測(cè)量器件在工作狀態(tài)下的電參數(shù)，根據(jù)2.1 中式（1）或式（2）折算閾值電壓。非弛豫法使測(cè)試可以在線進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)在應(yīng)力不中斷的前提下測(cè)試，解決了傳統(tǒng)方法需要在應(yīng)力去除以后才可以掃描的問(wèn)題。根據(jù)測(cè)試目的，漏源電流的偏置值應(yīng)該設(shè)置為與應(yīng)力試驗(yàn)條件對(duì)應(yīng)，同時(shí)要保證器件處于開(kāi)啟狀態(tài)，需柵壓大于閾值電壓。

其中基于線性放大區(qū)轉(zhuǎn)移特性設(shè)置的非弛豫法更為常用，實(shí)施時(shí)可使應(yīng)力試驗(yàn)保持恒定的柵極偏置應(yīng)力和負(fù)載電流，即保持柵極電壓和漏極電流恒定，根據(jù)式（2），此時(shí)閾值電壓與漏極電壓存在單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可通過(guò)對(duì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，反映出應(yīng)力作用期間閾值電壓的退化過(guò)程。

非弛豫法的設(shè)計(jì)思想與基于線性插值法的快速單點(diǎn)測(cè)試存在相似之處，均需要使用掃描測(cè)試的方式預(yù)先標(biāo)定轉(zhuǎn)移特性曲線，在對(duì)閾值電壓的定義上又與曲線擬合法相同，與直接電壓掃描法存在原理性差異，非弛豫法只適用于應(yīng)力試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)閾值電壓漂移量的輔助監(jiān)測(cè)，不適合作為獨(dú)立的測(cè)試方法。試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，非弛豫法可能出現(xiàn)監(jiān)測(cè)信號(hào)不穩(wěn)定、性能退化導(dǎo)致的物理關(guān)系改變等復(fù)雜情況。

3 閾值電壓測(cè)試電路的改良

3.1 單電壓源掃描測(cè)試電路

除閾值電壓的提取方式外，閾值電壓的測(cè)試電路也可進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低閾值電壓漂移的目的。

單電壓源掃描法是根據(jù)MOSFET 在截止區(qū)至飽和區(qū)的轉(zhuǎn)移特性，對(duì)傳統(tǒng)雙電壓源掃描法所做的一種簡(jiǎn)化，如圖2 所示。通常閾值電壓在掃描測(cè)試時(shí)，漏極電流由柵極電壓控制，漏極電壓的變化影響極小可以忽略，保持在合理范圍內(nèi)即可，并不關(guān)注其具體數(shù)值。根據(jù)這種性質(zhì)，單電壓源掃描法將柵極電壓復(fù)用于漏極，該電路的優(yōu)點(diǎn)在于所需的測(cè)試資源較少，但也因此缺乏復(fù)用性，只能實(shí)現(xiàn)閾值電壓的單參數(shù)測(cè)試，適用于柵極應(yīng)力試驗(yàn)中減少系統(tǒng)儀表資源。

圖2 單電壓源掃描法測(cè)試電路

3.2 電流源法測(cè)試電路

電流源法閾值電壓測(cè)試電路如圖3 所示。雖然使用電流源直接施加電流后測(cè)試電壓已經(jīng)是一種非常成熟的工程化測(cè)試技術(shù)，但將這種方法應(yīng)用于閾值電壓測(cè)試尚不廣泛，這主要是因?yàn)镸OSFET 是三端口器件，閾值電壓屬于轉(zhuǎn)移特性，電壓激勵(lì)施加在柵極，但電流測(cè)量在漏極，不便于直接在漏極施加激勵(lì)電流并不能獲得。從原理上，電流源法是在單電壓源掃描法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，吸收了單電壓源掃描法將柵極、漏極短路，只將漏極電壓保持在一個(gè)合理范圍而忽略漏極電壓具體數(shù)值的思想，又結(jié)合了傳統(tǒng)兩端口測(cè)試中加電流測(cè)電壓的方式，應(yīng)用于了閾值電壓測(cè)試，從而能實(shí)施直接的單點(diǎn)測(cè)試。電流源法測(cè)試電路不僅避免了柵極電壓的掃描過(guò)程對(duì)測(cè)試結(jié)果的干擾，也不必進(jìn)行推導(dǎo)和擬合，是目前在應(yīng)力試驗(yàn)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用較為成功的方案。

圖3 電流源法測(cè)試電路

4 柵極電壓預(yù)偏置技術(shù)

柵極電壓預(yù)偏置技術(shù)被專門(mén)用于SiC MOSFET 的柵極電壓測(cè)試，測(cè)試時(shí)先對(duì)柵極施加一個(gè)短時(shí)的恒定電壓應(yīng)力，然后經(jīng)過(guò)短時(shí)的無(wú)應(yīng)力時(shí)間間隔，再進(jìn)行測(cè)試。在各種柵極應(yīng)力試驗(yàn)過(guò)程中，閾值電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)非常關(guān)鍵，但因?yàn)殚撝惦妷旱倪t滯特性，試驗(yàn)應(yīng)力會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。尤其是在動(dòng)態(tài)柵應(yīng)力試驗(yàn)中，應(yīng)力結(jié)束后電路切換到測(cè)量狀態(tài)，因?yàn)閼?yīng)力頻率極高，切換前柵極的應(yīng)力狀態(tài)常常是不確定的。因此在監(jiān)測(cè)時(shí)，閾值電壓的測(cè)試結(jié)果受到試驗(yàn)應(yīng)力、測(cè)試應(yīng)力兩方面的干擾，監(jiān)測(cè)到的閾值電壓可能因短時(shí)應(yīng)力作用而在一定范圍內(nèi)振蕩，影響退化的定量分析。柵極預(yù)偏置技術(shù)通過(guò)短時(shí)電壓脈沖，將柵氧電荷置于一致的狀態(tài)下再進(jìn)行測(cè)試，能夠大幅減弱短時(shí)應(yīng)力對(duì)閾值電壓的影響，從而使數(shù)據(jù)更有效得反映出柵氧退化的實(shí)際情況。以電流源法測(cè)試電路為例，柵極預(yù)偏置的波形如圖4 所示。

圖4 柵極電壓預(yù)偏置時(shí)序

這種方法已經(jīng)在試驗(yàn)監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用，但在具體實(shí)施條件上還存在爭(zhēng)議，主要爭(zhēng)議在于預(yù)偏置電壓的幅值和施加方式。國(guó)際上常采用最大額定值，但有研究表明施加一個(gè)略高于閾值電壓的低電壓值，更有利于測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定。但這僅是無(wú)試驗(yàn)應(yīng)力連續(xù)測(cè)試時(shí)的結(jié)論，低電壓值在應(yīng)用于應(yīng)力試驗(yàn)時(shí)是否足以將試驗(yàn)應(yīng)力置于一致?tīng)顟B(tài)尚缺乏驗(yàn)證。還有一種方式是施加正負(fù)交替的預(yù)偏置脈沖，甚至是連續(xù)兩組正負(fù)交替的預(yù)偏置脈沖，改善應(yīng)力的分配情況或是分別測(cè)量不同應(yīng)力脈沖后的閾值電壓。此類(lèi)預(yù)偏置的應(yīng)力施加方式較復(fù)雜，本身也會(huì)構(gòu)成導(dǎo)致柵極退化的應(yīng)力來(lái)源，在低應(yīng)力試驗(yàn)中可能干擾試驗(yàn)結(jié)果。不同可靠性試驗(yàn)的應(yīng)力情況不一致，因此在具體應(yīng)用時(shí)需驗(yàn)證后再實(shí)施。

預(yù)偏置技術(shù)也存在其局限性，目前的主流商用測(cè)試設(shè)備尚不支持，需自行搭建專門(mén)電路，且預(yù)偏置動(dòng)態(tài)過(guò)程不便于實(shí)施計(jì)量校準(zhǔn)，給測(cè)試過(guò)程引入了額外的不確定因素。同時(shí)，諸如電流源法等單點(diǎn)測(cè)試法為閾值電壓測(cè)試提供了一類(lèi)快速可靠的測(cè)試方案，該測(cè)試通常僅需（100～500）us 即可完成（極限測(cè)試時(shí)間與產(chǎn)品寄生參數(shù)、閾值電壓幅值有關(guān)），測(cè)試應(yīng)力的影響被大幅削減，在無(wú)試驗(yàn)應(yīng)力的連續(xù)測(cè)試中結(jié)果已經(jīng)相當(dāng)穩(wěn)定。當(dāng)采用此類(lèi)測(cè)試過(guò)程對(duì)結(jié)果影響較小的測(cè)試方法時(shí)，如果不用于應(yīng)力試驗(yàn)的過(guò)程監(jiān)測(cè)，預(yù)偏置可能不是必要的。

5 結(jié)論

本文綜合討論了包括傳統(tǒng)方法在內(nèi)的4 種閾值電壓提取技術(shù)，包括電壓掃描法、曲線擬合法、線性插值法和非弛豫法。比較了3 種不同的測(cè)試電路，包括雙電壓源掃描法、單電壓源掃描法以及電流源法，梳理了其設(shè)計(jì)邏輯的聯(lián)系。討論了柵極預(yù)偏置技術(shù)原理、作用、實(shí)施方式及其局限性。這些內(nèi)容基于當(dāng)前工程應(yīng)用的實(shí)際情況，一些僅在科學(xué)研究中才會(huì)采用的方法未進(jìn)行討論。雙電壓源掃描法適合批量性的粗略測(cè)試，在閾值電壓的專門(mén)測(cè)試中，電流源法能夠較好地滿足測(cè)試需求，柵極電壓預(yù)偏置技術(shù)在應(yīng)力試驗(yàn)監(jiān)測(cè)中有積極意義，但需驗(yàn)證后再采用。