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将脉冲技术引入先进CMOS技术的可靠性测试

在氮化镓和碳化硅之后，氧化镓(Ga?O?)正以超高击穿电压与低成本潜力，推动超宽禁带功率器件进入大规模落地阶段。

但在光伏逆变、电动车快充、高压电源模块等真实工作场景中，高频大电流动态开关才是氧化镓器件日常面临的真实挑战。如何评估器件在这些动态应力下的可靠性，成为影响产品量产落地与客户信赖度的关键。

传统直流老化测试，难以真实还原动态负载场景，也难以准确捕捉在高κ材料栅结构中电荷捕获、陷阱演化等动态退化行为。脉冲应力与电荷泵技术的结合，正成为下一代氧化镓功率器件可靠性验证的关键抓手。

本篇内容将带您了解为什么在Ga?O?等先进CMOS与功率器件的可靠性验证中，需要引入脉冲应力技术，以及如何借助泰克平台与方法，更真实模拟器件在实际工作负载下的老化过程，助力从材料到器件到系统的产业落地验证。

泰克对话港科大，黄文海教授谈超宽禁带氧化镓

传统的直流应力与测量方法广泛用于表征 CMOS 器件的可靠性，如 HCI 和 TDDB 引起的退化。然而，随着 PMOSFET 和高κ材料器件中新兴电荷捕获等问题出现，可靠性测试也在演进。实际电路中器件动态开关的特性，使得动态可靠性验证需求日益增加，引入脉冲应力测试成为趋势。

研究表明，电压应力导致的界面陷阱增加是 HCI、NBTI 等可靠性问题的重要原因。将电荷泵技术引入现有直流测试，可有效监测界面陷阱，帮助理解高κ材料及先进 CMOS 工艺中的新型退化机制。

虽然常用“交流应力”表述，但在此场景中实为重复方波或梯形脉冲，本文统一称为“脉冲应力”，更准确反映测试方式。

脉冲表征 - 电荷泵

电荷泵(CP)和高频/准静态 C-V 是表征 MOS 界面陷阱密度的常用方法。然而，随着晶体管栅氧化物厚度降至 3-4nm 以下，准静态 C-V 已不适用于高κ材料界面表征。

CP 技术适用于日益广泛使用高κ薄膜的晶体管栅，能够监测界面和电荷捕获现象。通过直流或脉冲应力下的 CP 测量，可评估 HCI、NBTI、TDDB 等可靠性测试引发的器件退化量。

图1：电荷泵测量示意图。晶体管的源极和漏极连接到地面，而栅极以固定的频率和振幅进行脉冲

图1显示了与被测设备(DUT)的连接。基本的 CP 技术包括：对晶体管的栅极施加固定幅度、上升时间、下降时间和频率的电压脉冲序列时，测量基极电流。在此测试中，漏极、源连接到地面，衬底通过源测量单元(SMU)连接到地面，用于测量通过栅极的电流(Icp)。

两种最常见的CP技术是电压基极扫描和幅值扫描。在电压基极电平扫描中，周期(脉冲宽度)和电压振幅被固定，而扫描脉冲基极电压(图2a)。在每个电压下，测量体电流并绘制基本电压 (ICP vs Vbase)，如图2a所示。

图2a

图2b

图2：用于电荷泵送的两种扫描类型：a)基极电压扫描 b)脉冲幅度扫描

第二种电荷泵技术是电压幅度扫描，它具有一个固定的基本电压和周期 ( 脉冲频率 )，每个扫描步骤的电压振幅都发生了变化(图2b)。所获得的数据与从电压基极扫描中提取的数据相似，但在这种情况下，电荷泵电流与电压幅度 (ICP vs 电压幅度 ) 这些测量也可以在多个频率 ( 周期 ) 上执行，以获得界面陷阱的频率响应。

对于高κ材料结构，CP技术可以将被捕获的电荷 (Nit)量化为：

在硅基板 / 界面层以外的捕获电荷可以被感知到。图2a为基底电压扫描的特征ICP曲线，而图2b为电压幅值扫描的特征ICP曲线。

CP技术也可用于表征界面阱形成的初始阶段。图3显示了使用1MHz频率的“新”CP测量(即以前未测试过的MOSFET)。暗态电流是初始的CP测量值;较浅的曲线表示随后的测量结果。请注意，在较低的电压下，ICP曲线的形状以及大小都发生了变化。在多次测量后，随着效果饱和，变化趋势就会有效地停止。曲线形状的变化表明，CP测量所施加的电应力导致了界面陷阱的形成。这意味着使用脉冲测量CP可以有效地对器件施加压力并引起一些退化。脉冲应力下的退化是对我们理解偏置温度不稳定性(BTI)和TDDB的有益补充。

图3. “新”器件上的电荷泵测量所引起的应力效应

BTI和TDDB的脉冲应力

BTI(NBTI/PBTI)和 TDDB 通常采用高温高压交替应力与测量的方式进行测试，以加速退化并缩短验证周期。

NBTI 已成为 PMOSFET 可靠性测试的重要议题，其特征是阈值电压升高、漏极电流衰减，但在应力解除后会出现“弛豫”现象，影响直流应力测量的准确性，从而导致对寿命评估的高估。此外，高κ栅材料中普遍存在电荷捕获与去捕获，进一步加剧了器件性能的动态波动，使传统直流应力方法难以反映真实工作场景下的退化行为。

为更真实模拟器件在快充、逆变等场景下的动态负载，脉冲应力技术逐步成为先进器件可靠性验证的重要手段。脉冲应力可模拟不同频率下的动态开关，应力间歇期间部分退火恢复，真实反映器件在实际应用中的老化规律，帮助工程师更准确地建立频率相关的寿命模型。

图4a

图4b

图4. NBTI应力/测量图，显示了两种不同的脉冲应力方法：a)使用传统栅极和漏极电压的动态NBTI(DNBTI)b)DNBTI模拟逆变器条件，漏极电压与栅极电压处于相反的相位

通过使用周期性应力来模拟器件在电路中的应力，脉冲应力基本上是一个短的直流应力，被没有施加应力的时间中断(图4)。对于NBTI，这种应力脉冲之间的非应力部分允许退化恢复到一定程度。这种部分恢复对确定并模拟了该器件的使用寿命行为具有重要意义。部分恢复还不能被很好地理解，并且会因每个使用器件的结构、尺寸和材料的组合而有所不同。图4显示了两个脉冲应力的例子，尽管还有其他的脉冲应力方法。图4a显示了NBTI的脉冲应力，其中漏极电压在应力间隔期间保持0V。图4b显示了NBTI的脉冲应力，除了栅极电压外漏极电压是脉冲的。这第二种方法用于模拟逆变电路中的单个器件的性能。图4b中的栅极和漏极都受到了压力，因此在器件退化过程中同时存在NBTI和HCI。一般来说，脉冲应力技术产生更少的退化，器件的寿命更长。

图5.由于脉冲应力而导致的Nit退化

对于NBTI，脉冲应力技术用于研究单个器件以及数字电路的动态行为。图5显示了不同脉冲应力持续时间导致的Nit的增加，结合了图4a的应力方法和图2a的周期性CP测量值。

除了BTI，TDDB在静态和动态故障状态中的作用可以很好地被理解。对于在TDDB测试期间监测 SILC(应力引发的泄漏电流)，应力 / 测量图类似于图4a，但 Vdrain保持在一个恒定的非零电压，允许在应力期间读取Id。

结论

在超宽禁带氧化镓功率器件走向光伏、快充、高压电源真实场景落地的进程中，验证其在高频、大电流动态开关下的长期可靠性，是实现大规模应用的关键门槛。脉冲应力技术与电荷泵测量的结合，不仅能精准量化高κ栅结构中电荷捕获与陷阱演化，更能模拟真实工况下的动态负载，应力期间与恢复过程的退化与自愈特性，为Ga?O?器件建立可信的可靠性模型。

相较传统直流测试，脉冲应力验证让工程师能在更短时间内获得更真实的老化评估，推动氧化镓器件从实验室加速走向规模应用，为产业落地和客户信赖保驾护航。