一种碳化硅MOSFET高温栅偏测试方法与流程

本发明属于半导体器件测量技术领域，具体涉及一种碳化硅mosfet高温栅偏测试方法。

背景技术：

碳化硅是一种宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大，耐高温，高热导率等优点，广泛用于电力电子器件的制备。碳化硅mosfet是基于碳化硅材料制作的电力电子开关器件，具有开关速度快，耐压高，电流密度大，耐高温等一系列的优点，目前在开关电源，逆变器，充电桩，光伏，汽车电子等领域有极大的应用空间。

阈值电压是mosfet的一项重要参数，器件在使用时，栅极驱动电压根据器件的阈值电压来设计，保证器件的关断与正常导通。

在碳化硅mosfet的栅氧介质层和碳化硅体材料之间存在电子陷阱，当连续长时间对器件施加正栅压时电子会被这些电子陷阱俘获，导致器件阈值电压的正向漂移。在sicmosfet器件的栅氧介质层和碳化硅体材料之间同样存在空穴陷阱，当连续长时间对器件施加负栅压时空穴会被这些陷阱俘获，导致器件阈值电压的负向漂移。同时，这种漂移在栅极电压去除后也是可以部分恢复的，在不同的断电时间后测试阈值电压得到的值是不一样的。

由于sicmosfet容易发生热失控现象，且在器件测试过程中阈值电压会有明显漂移，导致高温栅偏试验及其电测试结果严重依赖于测试条件，如高温栅偏试验后测试时间间隔长短、栅极电压扫描方式和测试温度等因素会严重影响测试结果，按照目前jedecjesd-22a108c中规定的高温栅偏试验条件及试验后电测量条件，可能会得到错误结论，针对硅mosfet的高温栅偏测试方法不完全适用于碳化硅mosfet器件，因此需要针对碳化硅mosfet高温栅偏试验方法进行研究，形成适合于sicmosfet器件的测试方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种碳化硅mosfet高温栅偏测试方法，对碳化硅mosfet的栅氧质量进行准确的评价测试。

实现本发明目的的技术方案为：一种碳化硅mosfet高温栅偏测试方法，包括以下步骤：

1)搭建测试系统：高温栅偏系统由偏置电压源、烘箱、阈值电压检测模块、时序及逻辑控制模块四部分构成，其中偏置电压源由正电压源、负电压源与脉冲电压源构成，正电压源用于检测正向栅极电压下阈值电压的漂移，负电压源用于检测负向栅极电压下阈值电压的漂移，脉冲电压源用于检测一定频率的脉冲栅极电压下阈值电压的漂移；

2)测试系统的连接：将待测器件的阵列板放入烘箱，阵列板通过高速电子开关分别与偏置电压源和阈值电压检测模块相连接；时序及逻辑控制模块连接到高速电子开关，控制高速电子开关的开通与闭合，用于切换高温栅偏电压供给与阈值电压检测；

3)针对阈值电压检测部分栅极电压扫描方式增加正向扫描方式和负向扫描方式；

4)进行测试操作：选择正电压、负电压或脉冲电压，然后在栅极上加栅极电压，将待测器件放入烘箱中按照规定的时间进行试验，试验时间结束后在原位进行阈值电压测试；

5)进行阈值电压测试：选择正向扫描模式或负向扫描模式，通过电子开关实现栅偏电压关闭与阈值电压测试的快速切换，在关闭栅极电压的瞬间t0时刻进行阈值电压的测试；

6)同时设置一系列的时间点，时序及逻辑控制模块控制在每个时间点自动重复测试器件的阈值电压并自动记录；

7)计算某个时间点tx与去除栅偏电压t0时刻测得的两个阈值电压的差值，即为阈值恢复电压。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)本发明解决了现有技术在高温栅偏试验针对碳化硅mosfet的局限性，碳化硅mosfet的关断电压一般为负压，因此增加了负向电压的高温栅偏阈值电压测试；同时碳化硅mosfet在电力电子应用系统中的工作栅极电压为脉冲电压，因此增加了脉冲电压的高温栅偏阈值电压测试；(2)由于栅氧介质层和sic体材料之间存在电子陷阱，正向电压施加到栅极上会使得电子被电子陷阱俘获，导致阈值电压的正向漂移；在对碳化硅mosfet进行阈值电压测试的过程也是对栅极施加正向电压的过程，因此选取正向扫描与负向扫描两种方式，在不同模式下表征碳化硅mosfet的阈值电压；(3)通过栅偏电压与阈值电压测试模块之间电子开关的快速切换，实现了碳化硅mosfet阈值电压的原位测试，防止阈值电压在实验后发生恢复，造成测试值的误差；(4)同时通过对一系列时间点下，阈值电压测试值的自动采集，即可计算不同器件在相同时间段内阈值电压的恢复情况。

附图说明

图1为本发明的测试流程图。

图2为本发明的实验装置搭建图。

图3为阈值电压正向扫描与阈值电压负向扫描的示意图。

图4为高温栅偏后在短时间时间序列下自动测试记录的阈值电压测试曲线及结果示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种碳化硅mosfet高温栅偏测试方法，包括以下步骤：

1)搭建测试系统：高温栅偏系统由偏置电压源、烘箱、阈值电压检测模块、时序及逻辑控制模块四部分构成，其中偏置电压源由正电压源、负电压源与脉冲电压源构成，正电压源用于检测正向栅极电压下阈值电压的漂移，负电压源用于检测负向栅极电压下阈值电压的漂移，脉冲电压源用于检测50hz～100khz的脉冲栅极电压下阈值电压的漂移；

2)测试系统的连接：将待测器件的阵列板放入烘箱，阵列板通过高速电子开关分别与偏置电压源和阈值电压检测模块相连接；时序及逻辑控制模块连接到高速电子开关，控制高速电子开关的开通与闭合，用于切换高温栅偏电压供给与阈值电压检测；本发明中高温是指25℃～175℃。

3)针对阈值电压检测部分栅极电压扫描方式增加正向扫描与负向扫描，正向扫描是把阈值电压测试时的初始栅极电压设为0v，由0v逐渐增加电压，检测漏源电流，当漏源电流增大到规定值时认为此时的电压即为正向扫描下的阈值电压；负向扫描是把阈值电压测试时的初始栅极电压设为某一高值v0，由此值逐渐降低电压，检测漏源电流，当漏源电流减小到规定值时认为此时的电压即为负向扫描下的阈值电压；

4)进行测试操作：选择正电压、负电压或脉冲电压，然后在栅极上加栅极电压，将待测器件放入烘箱中按照规定的时间进行试验，试验时间结束后在原位进行阈值电压测试；

5)进行阈值电压测试：选择正向电压扫描模式或负向电压扫描模式，通过电子开关实现栅偏电压关闭与阈值电压测试的快速切换，在关闭栅极电压的瞬间t0时刻进行阈值电压的测试；

6)同时设置一系列的时间点，时序及逻辑控制模块控制在每个时间点自动重复测试器件的阈值电压并自动记录；

7)计算某个时间点tx与去除栅偏电压t0时刻测得的两个阈值电压的差值，即得到阈值电压在电热应力下发生漂移后，去除栅偏电压后tx-t0时间段内又发生的恢复程度，两个阈值电压的差值即为阈值恢复电压。

由于栅氧介质层和sic体材料之间存在电子陷阱，在电应力及热应力下电子陷阱会俘获电子或空穴，造成碳化硅器件在高温栅偏试验后会发生阈值电压漂移，同时这种漂移也是可部分恢复的，准确表征碳化硅器件的阈值电压十分重要；通过栅偏电压与阈值电压测试模块之间电子开关的快速切换，实现了碳化硅mosfet阈值电压在高温栅偏试验后的原位测试，防止阈值电压在实验后发生恢复，造成测试值的误差。通过正向扫描方式与负向扫描方式更准确的表征了测试应力对阈值电压的影响，同时通过对一系列时间点下，阈值电压测试值的自动采集，即可计算不同器件在相同时间段内阈值电压的恢复情况。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种碳化硅mosfet高温栅偏测试方法，包括以下步骤：

1)测试系统构成：高温栅偏系统由电压源、烘箱、阈值电压检测、时序及逻辑控制模块四部分构成，其中电压源由正电压源，负电压源与脉冲电压源构成，正电压源v﹢用于检测正向栅极电压下阈值电压的漂移，负电压源v-用于检测负向栅极电压下阈值电压的漂移，脉冲电压源vp用于检测一定频率的脉冲栅极电压下阈值电压的漂移。

2)测试系统的连接：将待测器件dut的阵列板放入烘箱，阵列板通过高速电子开关分别与偏置电压源与阈值电压检测模块相连接。时序及逻辑控制模块连接到高速电子开关，控制高速电子开关的开通与闭合，用于切换高温栅偏电压供给与阈值电压检测。

3)进行测试操作：选择正电压，负电压或脉冲电压，然后在栅极上加栅极电压，按规定的时间做高温栅偏试验。

4)到达要求的高温栅偏时间，原位进行阈值电压测试，选取正向扫描或者负向扫描模式，向高速电子开关发出指令，高速电子开关在切断dut阵列板上某工位栅偏电压的瞬间切换到阈值电压检测模块。

5)阈值电压检测模块在极短的时间内完成对碳化硅mosfet阈值电压的一系列时间点下的测试。根据tx与t0时刻阈值电压的差值，可以获得阈值电压的恢复情况。

6)控制高速电子开关，切换到dut阵列板下一工位，重复3)至5)的过程。

下面结合附图来说明我们对某商用1200v碳化硅mosfet高温栅偏阈值电压漂移和恢复情况的测试过程：

如图2搭建测试系统，将待测器件防置在栅偏阵列板上。

控制高速电子开关切换到偏置电压源负电压-10v，按照规定时间进行栅偏置试验。

试验结束，保持栅偏电压v-，将烘箱温度降为常温。

在原位进行阈值电压测试，本实施例利用开关选择正向扫描模式。逻辑模块发出指令将偏置电压源高速电子开关切断的同时接通阈值电压检测模块，如图3该模块以发出逐渐增大的阶梯波施加于mosfet栅极，同时该模块检测漏源电流达到规定值认为阶梯波达到的值为器件阈值电压。本实施例中规定值设置为500ua。

逻辑模块通过控制高速电子开关，自动测试并记录断掉栅偏电压后10ms，50ms，100ms,500ms等时间后的数据，此时间可自由选择，但须保证时间尽量小。

如图4得到实验结束初始时刻的阈值电压漂移到3.27v，阈值电压漂移后的恢复情况如图中曲线所示。

逻辑模块通过控制高速电子开关切换到下一工位测试，重复进行前面步骤。