將脈沖技術引入先進CMOS技術的可靠性測試

在氮化鎵和碳化硅之后，氧化鎵(Ga?O?)正以超高擊穿電壓與低成本潛力，推動超寬禁帶功率器件進入大規(guī)模落地階段。

但在光伏逆變、電動車快充、高壓電源模塊等真實工作場景中，高頻大電流動態(tài)開關才是氧化鎵器件日常面臨的真實挑戰(zhàn)。如何評估器件在這些動態(tài)應力下的可靠性，成為影響產(chǎn)品量產(chǎn)落地與客戶信賴度的關鍵。

傳統(tǒng)直流老化測試，難以真實還原動態(tài)負載場景，也難以準確捕捉在高κ材料柵結構中電荷捕獲、陷阱演化等動態(tài)退化行為。脈沖應力與電荷泵技術的結合，正成為下一代氧化鎵功率器件可靠性驗證的關鍵抓手。

本篇內容將帶您了解為什么在Ga?O?等先進CMOS與功率器件的可靠性驗證中，需要引入脈沖應力技術，以及如何借助泰克平臺與方法，更真實模擬器件在實際工作負載下的老化過程，助力從材料到器件到系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)落地驗證。

泰克對話港科大，黃文海教授談超寬禁帶氧化鎵

傳統(tǒng)的直流應力與測量方法廣泛用于表征 CMOS 器件的可靠性，如 HCI 和 TDDB 引起的退化。然而，隨著 PMOSFET 和高κ材料器件中新興電荷捕獲等問題出現(xiàn)，可靠性測試也在演進。實際電路中器件動態(tài)開關的特性，使得動態(tài)可靠性驗證需求日益增加，引入脈沖應力測試成為趨勢。

研究表明，電壓應力導致的界面陷阱增加是 HCI、NBTI 等可靠性問題的重要原因。將電荷泵技術引入現(xiàn)有直流測試，可有效監(jiān)測界面陷阱，幫助理解高κ材料及先進 CMOS 工藝中的新型退化機制。

雖然常用“交流應力”表述，但在此場景中實為重復方波或梯形脈沖，本文統(tǒng)一稱為“脈沖應力”，更準確反映測試方式。

脈沖表征 - 電荷泵

電荷泵(CP)和高頻/準靜態(tài) C-V 是表征 MOS 界面陷阱密度的常用方法。然而，隨著晶體管柵氧化物厚度降至 3-4nm 以下，準靜態(tài) C-V 已不適用于高κ材料界面表征。

CP 技術適用于日益廣泛使用高κ薄膜的晶體管柵，能夠監(jiān)測界面和電荷捕獲現(xiàn)象。通過直流或脈沖應力下的 CP 測量，可評估 HCI、NBTI、TDDB 等可靠性測試引發(fā)的器件退化量。

圖1：電荷泵測量示意圖。晶體管的源極和漏極連接到地面，而柵極以固定的頻率和振幅進行脈沖

圖1顯示了與被測設備(DUT)的連接?；镜?CP 技術包括：對晶體管的柵極施加固定幅度、上升時間、下降時間和頻率的電壓脈沖序列時，測量基極電流。在此測試中，漏極、源連接到地面，襯底通過源測量單元(SMU)連接到地面，用于測量通過柵極的電流(Icp)。

兩種最常見的CP技術是電壓基極掃描和幅值掃描。在電壓基極電平掃描中，周期(脈沖寬度)和電壓振幅被固定，而掃描脈沖基極電壓(圖2a)。在每個電壓下，測量體電流并繪制基本電壓 (ICP vs Vbase)，如圖2a所示。

圖2a

圖2b

圖2：用于電荷泵送的兩種掃描類型：a)基極電壓掃描 b)脈沖幅度掃描

第二種電荷泵技術是電壓幅度掃描，它具有一個固定的基本電壓和周期 ( 脈沖頻率 )，每個掃描步驟的電壓振幅都發(fā)生了變化(圖2b)。所獲得的數(shù)據(jù)與從電壓基極掃描中提取的數(shù)據(jù)相似，但在這種情況下，電荷泵電流與電壓幅度 (ICP vs 電壓幅度 ) 這些測量也可以在多個頻率 ( 周期 ) 上執(zhí)行，以獲得界面陷阱的頻率響應。

對于高κ材料結構，CP技術可以將被捕獲的電荷 (Nit)量化為：

在硅基板 / 界面層以外的捕獲電荷可以被感知到。圖2a為基底電壓掃描的特征ICP曲線，而圖2b為電壓幅值掃描的特征ICP曲線。

CP技術也可用于表征界面阱形成的初始階段。圖3顯示了使用1MHz頻率的“新”CP測量(即以前未測試過的MOSFET)。暗態(tài)電流是初始的CP測量值;較淺的曲線表示隨后的測量結果。請注意，在較低的電壓下，ICP曲線的形狀以及大小都發(fā)生了變化。在多次測量后，隨著效果飽和，變化趨勢就會有效地停止。曲線形狀的變化表明，CP測量所施加的電應力導致了界面陷阱的形成。這意味著使用脈沖測量CP可以有效地對器件施加壓力并引起一些退化。脈沖應力下的退化是對我們理解偏置溫度不穩(wěn)定性(BTI)和TDDB的有益補充。

圖3. “新”器件上的電荷泵測量所引起的應力效應

BTI和TDDB的脈沖應力

BTI(NBTI/PBTI)和 TDDB 通常采用高溫高壓交替應力與測量的方式進行測試，以加速退化并縮短驗證周期。

NBTI 已成為 PMOSFET 可靠性測試的重要議題，其特征是閾值電壓升高、漏極電流衰減，但在應力解除后會出現(xiàn)“弛豫”現(xiàn)象，影響直流應力測量的準確性，從而導致對壽命評估的高估。此外，高κ柵材料中普遍存在電荷捕獲與去捕獲，進一步加劇了器件性能的動態(tài)波動，使傳統(tǒng)直流應力方法難以反映真實工作場景下的退化行為。

為更真實模擬器件在快充、逆變等場景下的動態(tài)負載，脈沖應力技術逐步成為先進器件可靠性驗證的重要手段。脈沖應力可模擬不同頻率下的動態(tài)開關，應力間歇期間部分退火恢復，真實反映器件在實際應用中的老化規(guī)律，幫助工程師更準確地建立頻率相關的壽命模型。

圖4a

圖4b

圖4. NBTI應力/測量圖，顯示了兩種不同的脈沖應力方法：a)使用傳統(tǒng)柵極和漏極電壓的動態(tài)NBTI(DNBTI)b)DNBTI模擬逆變器條件，漏極電壓與柵極電壓處于相反的相位

通過使用周期性應力來模擬器件在電路中的應力，脈沖應力基本上是一個短的直流應力，被沒有施加應力的時間中斷(圖4)。對于NBTI，這種應力脈沖之間的非應力部分允許退化恢復到一定程度。這種部分恢復對確定并模擬了該器件的使用壽命行為具有重要意義。部分恢復還不能被很好地理解，并且會因每個使用器件的結構、尺寸和材料的組合而有所不同。圖4顯示了兩個脈沖應力的例子，盡管還有其他的脈沖應力方法。圖4a顯示了NBTI的脈沖應力，其中漏極電壓在應力間隔期間保持0V。圖4b顯示了NBTI的脈沖應力，除了柵極電壓外漏極電壓是脈沖的。這第二種方法用于模擬逆變電路中的單個器件的性能。圖4b中的柵極和漏極都受到了壓力，因此在器件退化過程中同時存在NBTI和HCI。一般來說，脈沖應力技術產(chǎn)生更少的退化，器件的壽命更長。

圖5.由于脈沖應力而導致的Nit退化

對于NBTI，脈沖應力技術用于研究單個器件以及數(shù)字電路的動態(tài)行為。圖5顯示了不同脈沖應力持續(xù)時間導致的Nit的增加，結合了圖4a的應力方法和圖2a的周期性CP測量值。

除了BTI，TDDB在靜態(tài)和動態(tài)故障狀態(tài)中的作用可以很好地被理解。對于在TDDB測試期間監(jiān)測 SILC(應力引發(fā)的泄漏電流)，應力 / 測量圖類似于圖4a，但 Vdrain保持在一個恒定的非零電壓，允許在應力期間讀取Id。

結論

在超寬禁帶氧化鎵功率器件走向光伏、快充、高壓電源真實場景落地的進程中，驗證其在高頻、大電流動態(tài)開關下的長期可靠性，是實現(xiàn)大規(guī)模應用的關鍵門檻。脈沖應力技術與電荷泵測量的結合，不僅能精準量化高κ柵結構中電荷捕獲與陷阱演化，更能模擬真實工況下的動態(tài)負載，應力期間與恢復過程的退化與自愈特性，為Ga?O?器件建立可信的可靠性模型。

相較傳統(tǒng)直流測試，脈沖應力驗證讓工程師能在更短時間內獲得更真實的老化評估，推動氧化鎵器件從實驗室加速走向規(guī)模應用，為產(chǎn)業(yè)落地和客戶信賴保駕護航。