如何评估SiC MOSFET栅氧化层的使用寿命

作者简介

赵佳

在我们上一篇文章中，详细描述了英飞凌如何通过电应力筛选的方式，剔除栅氧化层中具有非本征缺陷的器件（相关阅读：仅有几十nm厚的栅氧化层，竟是制约SiC MOSFET可靠性的关键因素）。那么通过筛选之后的器件，实际使用寿命又有多久？为此，英飞凌开发了马拉松应力测试应运而生，它以接近实际应用的条件为核心，成为校准非本征筛选模型、精准预测栅氧寿命的关键方法，也被 JEDEC 标准 JEP194 推荐采用。

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马拉松测试的核心原理：贴近实际，大样本长期 “实景应力”

马拉松应力测试的核心逻辑，就是在尽可能贴近器件实际工作的条件下，对大量器件进行长时间的并行应力测试，以此捕捉那些即便经过栅压筛选，仍可能在实际应用中极低概率发生的早期栅氧非本征失效。

之所以要满足大样本量和长时间两个条件，是因为经过前期栅压筛选后，器件的非本征失效已经变得非常罕见，只有足够多的样本、足够长的测试时间，才能提高触发失效的概率，让测试结果具有参考价值。

1. 测试条件：贴近实际，轻微加速

测试的栅压和温度均接近器件真实使用参数，比如器件实际栅极工作电压 18V/20V 时，测试选 25V；使用温度接近 150°C/175°C。仅做轻微加速，确保观察到的失效模式和实际应用完全一致，这也是其与传统高加速测试最核心的区别。

2. 测试时长：阶梯式循环，直至出现失效

单次基础测试时长为 100 天，如果前 100 天没有器件失效，就适当提高应力电压（如提高 5V）再继续测试 100 天，如此循环，直到出现 1~10 个失效案例即可停止。无需让所有器件运行至寿命终点，首批失效的电压和时间数据，就是后续分析的核心依据。

3. 测试架构：专用设计，大规模并行

为了处理数千个测试样本，英飞凌设计了专用测试结构：多个器件封装在同一载体，多个载体装在应力测试板，多块板放入一个炉内，多个炉还能并行运行，实现大规模器件的同步应力测试，保证测试效率和数据的统一性。

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栅氧寿命预测的关键：加速模型 + 参数校准 + 数据拟合

马拉松测试的最终目的，是为了精准预测 SiC MOSFET 在实际工作条件下的栅氧寿命，而非单纯观察失效现象。整个预测过程围绕线性 E 模型展开，通过测试数据校准模型参数，再用拟合后的模型推导实际工况的失效概率，形成一套系统化的流程。

1. 核心模型：线性 E 模型（JEDEC 推荐）

对于栅氧化层厚度大于 20nm 的 SiC MOSFET，JEDEC 标准 JEP194 推荐使用线性 E 模型来计算击穿时间（tBD）与击穿位置电场（Eox）和温度（T）变化的关系，这是寿命预测的数学基础，公式为：

式中：

前因子A0：与介质击穿强度相关的比例常数；

γ：电场加速参数；

Ea：表观激活能（eV）；

K：玻尔兹曼常数（eV/K）

简单来说，这个公式的核心是：氧化层的击穿时间（tBD）由 电场加速参数（γ）和表观激活能（Ea）两个关键参数决定，而这两个参数正是非本征失效的核心加速参数，也是马拉松测试需要精准校准的内容。（公式中A0为比例常数、k 为玻尔兹曼常数，均为固定参考值）。

2. 参数校准：多轮测试，迭代优化

电场加速参数 γ 和表观激活能Ea并非固定值，需要通过马拉松测试的实际数据不断校准，整个校准过程是一个循环优化的过程。经过多轮迭代优化后的模型，能精准反映非本征缺陷在不同电压、温度下的失效规律，为后续寿命预测提供可靠依据。

3. 寿命预测：数据拟合 + 工况换算 + 概率外推

在获得校准后的线性 E 模型和加速参数后，就可以通过三步完成实际工况下的栅氧寿命及失效概率预测：

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数据拟合：将马拉松测试中首批失效的电压、时间数据代入模型，确保模型能精准匹配测试中的失效规律；

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工况换算：利用校准后的模型，将马拉松测试中 “轻微加速条件” 下的失效时间，换算为器件实际工作条件（如常规栅压 18V、温度 150°C）下的失效时间；

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概率外推：将测试数据外推至器件假定的最长工作寿命（如 20 年），结合 Weibull 分布分析，推导出器件在整个寿命周期内的栅氧失效概率。

这里需要注意的是，经过栅压筛选的器件，失效率几乎保持恒定，因此在数据外推时，会假设 Weibull 斜率参数 β=1，让预测结果更贴合实际。

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马拉松测试的实际应用成果：数据积累，全寿命范围内失效率预测

英飞凌在过去 10-15 年里，针对不同尺寸、不同代际的 CoolSiC MOSFET，完成了大量马拉松应力测试，积累了海量数据，也实现了两大核心成果：

1. 建立通用非本征加速模型

基于大量测试数据校准的模型，在不同电压等级、金属化结构、芯片尺寸和器件代际中均得到验证，所有马拉松测试的失效结果，都落在该模型的预测范围内，能有效估算任意工作场景下的最坏现场失效概率。

2. 实现全生命周期的可靠性预测

在一项针对三代不同工艺阶段 SiC MOSFET 的案例研究中，我们对三个具有不同非本征缺陷密度的器件样本组，分别执行了三次独立的马拉松应力测试。这三组样本大致对应于英飞凌第一代CoolSiC MOSFET器件在开发过程中工艺演进的不同阶段。第一组对应氧化层工艺开发的初期阶段，第三组则代表接近产品放行前的技术状态。该实验的目的是，监测并量化在清洁度、工艺以及电学筛选方面的各项改进所带来的效果。在150 °C下进行100天的测试后，表现最佳的组别（第三组）在VGS= +30 V条件下，1000 个器件中仅出现1个失效，而在VGS= +25 V和VGS= +15 V的条件下，则未出现任何失效。将测试数据换算为 18V 实际工作电压后，所有样本组的失效时间均远超 20 年产品寿命，且第三组样本group3在 20 年工作周期内的失效率仅有1 ppm，而group2也仅展现出个位数量级的ppm，实现了与成熟硅基器件相当的可靠性预测。

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马拉松测试的特点与适用场景

作为 SiC MOSFET 栅氧寿命预测的核心方法，马拉松测试有其独特的优势，也存在一定的局限性，因此其适用场景也有明确的定位：

核心优势

1.测试条件贴近实际，失效模式与现场应用完全一致，预测结果精准可靠；

2.能校准非本征加速参数，建立通用模型，适用于不同类型的 SiC MOSFET；

3.可实现对器件全寿命周期失效概率的预测。

局限性

1.测试要求高：需要大样本量、长达数月的测试时间，且需专用的并行测试架构；

2.前期准备复杂：需大量前期研究确定合适的应力条件，栅压需低于本征击穿极限又足够严苛以触发失效；

3.校准流程繁琐：需多轮测试迭代优化模型参数。

适用场景

正因上述特点，马拉松应力测试主要适用于 SiC MOSFET 器件制造商，用于量化工厂量产器件的现场可靠性、校准筛选模型、验证工艺改进效果；而如果只是对不同厂商的器件做栅氧可靠性的定性比较，使用栅压阶梯应力测试等终测方法会更便捷。

结论

马拉松应力测试是 SiC MOSFET 栅氧非本征可靠性验证与寿命预测的 “金标准”，它跳出了传统高加速测试的局限，以贴近实际的条件、大样本的规模、长时间的应力捕捉极低概率的非本征失效，再通过线性 E 模型的校准与拟合，将测试数据转化为实际工况下的寿命预测。

正是依靠这套测试方法，英飞凌才能精准掌握栅氧化层非本征缺陷的失效规律，实现对 SiC MOSFET 全寿命周期失效概率的定量预测，也为工艺优化、栅压筛选提供了可靠的数据分析依据，最终推动 SiC MOSFET 的栅氧可靠性向硅基器件看齐。