SiC MOSFET 閾值電壓測試技術研究

桂明洋，遲雷，焦龍飛，安偉

（1.中國電子科技集團公司 第十三研究所,石家莊 050051；2.國家半導體器件質量檢驗檢測中心,石家莊 050051）

引言

SiC MOSFET 作為第三代半導體功率開關器件，在整流、逆變電路中作用關鍵，以其高溫、高速、高效率成為當前新能源領域中最具市場前景的半導體產品之一。目前困擾SiC MOSFET 產業化規模應用的首要問題在于柵氧可靠性及柵氧界面效應引起的閾值電壓不穩定，目前該問題尚未通過工藝手段解決，仍然依賴于各類柵氧相關的可靠性試驗及環境試驗。可靠性試驗、環境試驗前后的參數測試是得到衡量試驗應力的定量數據的關鍵步驟，在試驗過程中，準確、可重復地測試各型產品的閾值電壓成為驗證試驗結果、保障SiC MOSFET 高可靠應用的必要條件。然而，閾值電壓不穩定給測試帶來了困擾，常規條件的測試過程本身引入的短時電應力就足以使產品閾值電壓發生改變，盡管不同機構規定的測試條件一致，但因使用了不同測試電路、測試方法乃至測試時序，得到的閾值電壓之間不具有可比性，不僅影響試驗效應的定量分析，還削弱了檢測結果的公信力，同時在依照這些測試結果進行系統設計的時候也存在風險，常常需要留出較高設計裕量，不僅浪費系統資源，還使產品無法發揮最佳性能。

閆美存等[1]歸納了SiC MOSFET 參數體系及測試方法，將閾值電壓列為第一項關鍵參數，并介紹了閾值電壓發生漂移的機理。高偉等[2]討論了SiC MOSFET 的相關標準，分析了閾值電壓標準的制定情況，討論了柵壓預偏置測試中對測量結果的影響因素。韓忠霖等[3]討論了平面柵工藝對閾值電壓的影響，Yumeng Cai 等[4]比較了平面柵和溝槽柵的閾值電壓不穩定情況。陳杰等[5]討論了在功率循環過程中抑制閾值電壓漂移的方法。熊一等[6]在高溫柵偏試驗中采用了一種正負預偏置交替的方式監測閾值電壓。王臻卓等[7]詳細討論了這種測試方案，將閾值電壓定義為正負偏置后分別測試的平均值。本文收集討論了目前SiC MOSFET 閾值電壓測試相關的各種方法，比較了這些方法的差異和優缺點，并基于目前業內的商用測試儀器分析了這些方法的適用性，探討適合于當前工程化應用的閾值電壓測試技術。

1 閾值電壓的常規測試方法

常規的閾值電壓測試方法為直接電壓掃描法。電路圖如圖1 所示，該電路主要由兩個電源-測量單元（SMU）構成，其中SMU1 用于對柵極施加掃描電壓，SMU2 用于在漏極施加恒定的激勵電壓。閾值電壓的定義為MOSFET 在臨界導通時的柵極電壓，測試時需規定一個漏極電流接近0 的臨界值作為閾值電流，通過柵極電壓的掃描，當漏極電流達到規定的閾值電流時，即確定此時的柵極電壓為閾值電壓。

圖1 雙電壓源掃描法測試電路

早期時規定閾值電流為固定值，如1uA，這種規定方式未考慮器件的芯片尺寸、功率容量的差異，相對誤差隨器件種類不同而變化，測量結果的可比性差。為保持標準定義的一致性、考慮芯片的不同尺寸，閾值電流可取為飽和導通電流的固定比值，如0.025 %。

目前批量產品的檢驗篩選絕大部分都是依據圖1 電路進行閾值電壓測試。該電路的優勢在于簡單直觀、復用性強，只需要在漏源電流達到閾值電流規定值時讀數記錄即可，柵極和漏極采用兩個單獨的SMU，可以通過儀器程控實現各種不同的測量功能。除了可以測試閾值電壓外，只要SMU 的負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試MOSFET 的幾乎全部靜態參數，從而在進行批量測試時極大地提高效率，因而目前應用最為廣泛。

常規方法的局限性在于缺少對SiC MOSFET 閾值電壓不穩定的針對性設計，掃描過程比較緩慢，存在測量過程影響測試結果的問題。直接電壓掃描法的測量速度取決于柵壓掃描的步長和單步掃描速度。在某些Si 器件的偏置溫度應力（BTI）測試中已經采用了微秒甚至納秒以下的單步掃描速度來進行轉移曲線測試，但過快的測試速度會導致電流結果的畸變，再加上碳化硅器件在測試過程中本身就會有遲滯效應引起的閾值電壓漂移，這類超快掃描技術目前還不成熟。就目前主流的半導體器件分析儀而言，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，實際應用中掃描時間則更長。在秒級的時間尺度下，測試時柵極電壓掃描過程引入的電應力本身會造成閾值電壓發生漂移。

直接電壓掃描法的局限性限制了其在柵極應力試驗過程監測方面的應用，業內提出了一系列關于閾值電壓提取方式、測試電路的改良方案，以適應不同的測試需求。

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MOSFET 的轉移特性曲線設計的，漏極電流和柵極電壓在飽和區和線性放大區的轉移特性曲線可以分別建立近似線性關系，提取出閾值電壓，因此又分為飽和區曲線擬合法和線性放大區曲線擬合法。其擬合原理都是依據曲線的近似線性關系進行外推，得出使漏極電流趨于0 的柵極電壓臨近值，作為閾值電壓。

飽和區的函數關系為：

線性放大區的函數關系為：

當芯片規格一定時，Z、μ、C、L 均為常量，根據以上關系，在飽和區曲線存在近似線性關系，在線性放大區IDS-VGS曲線存在近似線性關系。飽和區IDS與VDS無關，只取決于VGS，因物理關系簡單，該方法更為常用。而線性放大區的IDS還與VDS關，要滿足上述近似線性關系，不僅需保持VDS恒定，還要滿足VDS遠遠小于（VGS-Vth），使器件保持在放大區工作模式。

曲線擬合法與直接電壓掃描法對閾值電流的規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，而是根據一個漏極電流趨于0 的理想臨界值確定閾值電壓，實際此時閾值電壓對應的漏極電流并不完全為0，仍然是一個接近0 的臨界值。理想狀態下，近似線性關系的曲線僅需數個數據點即可完全確定，曲線掃描法的測試速度遠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行測試，同時吸收了曲線擬合法應用近似線性關系進行擬合的思想，目的是擴大電壓掃描步長、減少掃描點數，從而提高測試效率。MOSFET 在臨界開啟時的工作模式被稱為弱反轉區，線性插值法以數十倍于直接掃描法的電壓步進，掃描弱反轉區的轉移特性。不同于曲線擬合法使用的飽和區和線性放大區，在弱反轉區IDS與VGS的函數關系較為復雜，不存在嚴格的線性關系，而是對漏極電流IDS取對數后，使用log（IDS）-VGS關系曲線可獲得局部的近似線性，即兩個相鄰掃描點之間的曲線是符合近似線性的，以此進行插值運算。假設使漏極電流IDS穿越閾值電流前后的兩個測試點的柵極電壓分別為VGS（i）、VGS（i+1），對應的漏極電流分別為IDS（i）、IDS（i+1）則擬合得到的閾值電壓為：

基于弱反轉區的線性插值法對閾值電壓的定義與直接電壓掃描法完全相同，在測試結果可靠性方面也相當。一般在（10～25）mV 的測試步進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試精度的同時，提高數十倍的測試速度。

基于以上線性插值法的原理，可實施快速的單點測試，適用于應力試驗期間閾值電壓退化的監測。在短時柵極應力試驗前后，器件閾值電壓發生漂移，在弱反轉區主要表現為轉移特性曲線的平移，而斜率基本不變。在線性插值法中預先測得弱反轉區轉移特性曲線后，試驗監測時可以僅在閾值電壓目標范圍內進行單點測試，即可根據應力試驗前測得的斜率，即可估算應力作用后的閾值電壓。該方式雖然難以保證較高精度，但因為僅需要單點測試，在測試速度上有傳統方法無法比擬的優勢，在精細的應力試驗中能有效減小測試過程影響。但柵極應力試驗種類繁多，應力的作用也不盡相同，在應用時需要先行驗證上述關系的適用性。

2.3 非弛豫法

非弛豫法是一種非直接測量的方法，其測試原理仍然依據器件的轉移特性，通過測量器件在工作狀態下的電參數，根據2.1 中式（1）或式（2）折算閾值電壓。非弛豫法使測試可以在線進行，實現在應力不中斷的前提下測試，解決了傳統方法需要在應力去除以后才可以掃描的問題。根據測試目的，漏源電流的偏置值應該設置為與應力試驗條件對應，同時要保證器件處于開啟狀態，需柵壓大于閾值電壓。

其中基于線性放大區轉移特性設置的非弛豫法更為常用，實施時可使應力試驗保持恒定的柵極偏置應力和負載電流，即保持柵極電壓和漏極電流恒定，根據式（2），此時閾值電壓與漏極電壓存在單值對應關系，即可通過對的實時監測，反映出應力作用期間閾值電壓的退化過程。

非弛豫法的設計思想與基于線性插值法的快速單點測試存在相似之處，均需要使用掃描測試的方式預先標定轉移特性曲線，在對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力試驗過程中對閾值電壓漂移量的輔助監測，不適合作為獨立的測試方法。試驗時間較長時，非弛豫法可能出現監測信號不穩定、性能退化導致的物理關系改變等復雜情況。

3 閾值電壓測試電路的改良

3.1 單電壓源掃描測試電路

除閾值電壓的提取方式外，閾值電壓的測試電路也可進行針對性設計，達到簡化系統、降低閾值電壓漂移的目的。

單電壓源掃描法是根據MOSFET 在截止區至飽和區的轉移特性，對傳統雙電壓源掃描法所做的一種簡化，如圖2 所示。通常閾值電壓在掃描測試時，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，保持在合理范圍內即可，并不關注其具體數值。根據這種性質，單電壓源掃描法將柵極電壓復用于漏極，該電路的優點在于所需的測試資源較少，但也因此缺乏復用性，只能實現閾值電壓的單參數測試，適用于柵極應力試驗中減少系統儀表資源。

圖2 單電壓源掃描法測試電路

3.2 電流源法測試電路

電流源法閾值電壓測試電路如圖3 所示。雖然使用電流源直接施加電流后測試電壓已經是一種非常成熟的工程化測試技術，但將這種方法應用于閾值電壓測試尚不廣泛，這主要是因為MOSFET 是三端口器件，閾值電壓屬于轉移特性，電壓激勵施加在柵極，但電流測量在漏極，不便于直接在漏極施加激勵電流并不能獲得。從原理上，電流源法是在單電壓源掃描法的基礎上改進而來的，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合理范圍而忽略漏極電壓具體數值的思想，又結合了傳統兩端口測試中加電流測電壓的方式，應用于了閾值電壓測試，從而能實施直接的單點測試。電流源法測試電路不僅避免了柵極電壓的掃描過程對測試結果的干擾，也不必進行推導和擬合，是目前在應力試驗監測中應用較為成功的方案。

圖3 電流源法測試電路

4 柵極電壓預偏置技術

柵極電壓預偏置技術被專門用于SiC MOSFET 的柵極電壓測試，測試時先對柵極施加一個短時的恒定電壓應力，然后經過短時的無應力時間間隔，再進行測試。在各種柵極應力試驗過程中，閾值電壓的實時監測非常關鍵，但因為閾值電壓的遲滯特性，試驗應力會影響測量結果。尤其是在動態柵應力試驗中，應力結束后電路切換到測量狀態，因為應力頻率極高，切換前柵極的應力狀態常常是不確定的。因此在監測時，閾值電壓的測試結果受到試驗應力、測試應力兩方面的干擾，監測到的閾值電壓可能因短時應力作用而在一定范圍內振蕩，影響退化的定量分析。柵極預偏置技術通過短時電壓脈沖，將柵氧電荷置于一致的狀態下再進行測試，能夠大幅減弱短時應力對閾值電壓的影響，從而使數據更有效得反映出柵氧退化的實際情況。以電流源法測試電路為例，柵極預偏置的波形如圖4 所示。

圖4 柵極電壓預偏置時序

這種方法已經在試驗監測中得到應用，但在具體實施條件上還存在爭議，主要爭議在于預偏置電壓的幅值和施加方式。國際上常采用最大額定值，但有研究表明施加一個略高于閾值電壓的低電壓值，更有利于測試結果的穩定。但這僅是無試驗應力連續測試時的結論，低電壓值在應用于應力試驗時是否足以將試驗應力置于一致狀態尚缺乏驗證。還有一種方式是施加正負交替的預偏置脈沖，甚至是連續兩組正負交替的預偏置脈沖，改善應力的分配情況或是分別測量不同應力脈沖后的閾值電壓。此類預偏置的應力施加方式較復雜，本身也會構成導致柵極退化的應力來源，在低應力試驗中可能干擾試驗結果。不同可靠性試驗的應力情況不一致，因此在具體應用時需驗證后再實施。

預偏置技術也存在其局限性，目前的主流商用測試設備尚不支持，需自行搭建專門電路，且預偏置動態過程不便于實施計量校準，給測試過程引入了額外的不確定因素。同時，諸如電流源法等單點測試法為閾值電壓測試提供了一類快速可靠的測試方案，該測試通常僅需（100～500）us 即可完成（極限測試時間與產品寄生參數、閾值電壓幅值有關），測試應力的影響被大幅削減，在無試驗應力的連續測試中結果已經相當穩定。當采用此類測試過程對結果影響較小的測試方法時，如果不用于應力試驗的過程監測，預偏置可能不是必要的。

5 結論

本文綜合討論了包括傳統方法在內的4 種閾值電壓提取技術，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，梳理了其設計邏輯的聯系。討論了柵極預偏置技術原理、作用、實施方式及其局限性。這些內容基于當前工程應用的實際情況，一些僅在科學研究中才會采用的方法未進行討論。雙電壓源掃描法適合批量性的粗略測試，在閾值電壓的專門測試中，電流源法能夠較好地滿足測試需求，柵極電壓預偏置技術在應力試驗監測中有積極意義，但需驗證后再采用。