一种碳化硅MOSFET器件高温栅偏试验方法及系统与流程

一种碳化硅mosfet器件高温栅偏试验方法及系统
技术领域
1.本说明书涉及电子器件技术领域，尤其涉及一种碳化硅mosfet器件高温栅偏试验方法及系统。


背景技术：

2.碳化硅mosfet器件是一种半导体器件，能够满足高温、高压和高频等工况下的应用需求，在高铁、智能电网、新能源汽车等领域具有广泛的应用前进。
3.碳化硅mosfet器件出厂之前，需要进行可靠性试验，以保证器件的性能和可靠性。目前，有关碳化硅mosfet器件的可靠性试验标准为国际标准iec 60747-9：1998和jedec jesd-55a108c，二者均为碳化硅mosfet器件的高温栅偏试验标准，标准规定的试验条件为：试验温度为150℃，施加的驱动电压恒定为 20v/-20v，持续1000小时，在试验过程中监测器件的阈值电压退化情况。
4.然而，随着碳化硅mosfet器件在不同领域的广泛应用，驱动电路多种多样，驱动电路输出的驱动电压已经不是单一的恒定电压 20v/-20v，出现了不同应用场景下的多种驱动电压，由于不同的驱动电压对器件的可靠性影响不同，因而按照目前的国际标准，已经无法对碳化硅mosfet器件进行全面合理的可靠性试验。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本说明书的目的在于提出一种碳化硅mosfet器件高温栅偏试验方法及系统，能够对碳化硅mosfet器件进行全面合理的可靠性试验。
6.基于上述目的，本说明书提供了一种碳化硅mosfet器件高温栅偏试验方法，用于对待测器件进行高温栅偏试验，包括：
7.利用阈值电压测试装置测试至少一组待测器件的初始阈值电压值；
8.利用高温栅偏测试装置对至少一组待测器件进行三种驱动电压条件下的高温栅偏测试；三种驱动电压分别为正栅压为 20v、负栅压为0v的第一驱动电压，正栅压为 20v、负栅压为-5v的第二驱动电压，正栅压为 20v、负栅压为-10v的第三驱动电压；
9.在所述高温栅偏测试过程中，于不同的时间点利用所述阈值电压测试装置测试各组待测器件的当前阈值电压值，得到不同时间点对应的阈值电压值；
10.所述高温栅偏测试结束，根据所述初始阈值电压值和所述不同时间点对应的阈值电压值，对各组待测器件的阈值电压退化特性进行分析。
11.可选的，所述阈值电压测试装置包括第一高精度源表和第二高精度源表；
12.所述利用阈值电压测试装置测试至少一组待测器件的初始阈值电压值，包括：
13.试验温度为150-300℃的条件下，将所述待测器件的漏极、源极与所述第一高精度源表连接，将所述待测器件的栅极、源极与所述第二高精度源表连接，利用所述第一高精度源表和所述第二高精度源表测试所述待测器件的初始阈值电压值。
14.可选的，所述高温栅偏测试装置包括用于产生所述第一驱动电压的第一驱动电
路，用于产生所述第二驱动电压的第二驱动电路，用于产生所述第三驱动电压的第三驱动电路以及用于控制所述第一驱动电压、第二驱动电压和第三驱动电压的输出频率的脉冲控制电路；
15.所述利用高温栅偏测试装置对至少一组待测器件进行三种驱动电压条件下的高温栅偏测试，包括：
16.试验温度为150-300℃的条件下，将特定频率的所述第一驱动电压、第二驱动电压和第三驱动电压分别施加于对应的待测器件。
17.可选的，在所述高温栅偏测试过程中，于不同的时间点利用所述阈值电压测试装置测试各组待测器件的当前阈值电压值，得到不同时间点对应的阈值电压值，包括：
18.在所述高温栅偏测试的测试时间段内，将所述测试时间段划分为至少两个时间段，于每个时间段利用所述阈值电压测试装置测试所述待测器件的当前阈值电压值，得到不同时间点对应的阈值电压值。
19.可选的，在所述高温栅偏测试过程中，于不同的时间点利用所述阈值电压测试装置测试各组待测器件的当前阈值电压值，得到不同时间点对应的阈值电压值，包括：
20.当到达测试当前阈值电压值的时间点时，接通所述阈值电压测试装置，利用所述阈值电压测试装置测试所述待测器件的当前阈值电压值，关断所述高温栅偏测试装置向所述待测器件输出三种驱动电压；
21.所述当前阈值电压值测试后，接通所述高温栅偏测试装置向所述待测器件输出三种驱动电压，切断所述阈值电压测试装置与所述待测器件的连接，停止测试所述当前阈值电压值。
22.本说明书实施例还提供一种碳化硅mosfet器件高温栅偏试验系统，用于对待测器件进行高温栅偏试验，系统包括：
23.阈值电压测试装置，用于测试至少一组待测器件的初始阈值电压值；以及在高温栅偏测试过程中，于不同的时间点测试各组待测器件的当前阈值电压值，得到不同时间点对应的阈值电压值；
24.高温栅偏测试装置，用于对至少一组待测器件进行三种驱动电压条件下的高温栅偏测试；三种驱动电压分别为正栅压为 20v、负栅压为0v的第一驱动电压，正栅压为 20v、负栅压为-5v的第二驱动电压，正栅压为 20v、负栅压为-10v的第三驱动电压；
25.数据处理模块，用于在所述高温栅偏测试结束后，根据所述初始阈值电压值和所述不同时间点对应的阈值电压值，对各组待测器件的阈值电压退化特性进行分析。
26.可选的，所述阈值电压测试装置包括第一高精度源表和第二高精度源表；在试验温度为150℃-300℃的条件下，所述待测器件的漏极、源极与所述第一高精度源表连接，所述待测器件的栅极、源极与所述第二高精度源表连接，利用所述第一高精度源表和所述第二高精度源表测试所述待测器件的初始阈值电压值。
27.可选的，所述高温栅偏测试装置包括用于产生所述第一驱动电压的第一驱动电路，用于产生所述第二驱动电压的第二驱动电路，用于产生所述第三驱动电压的第三驱动电路以及用于控制所述第一驱动电压、第二驱动电压和第三驱动电压的输出频率的脉冲控制电路；在试验温度为150-300℃的条件下，将特定频率的所述第一驱动电压、第二驱动电压和第三驱动电压分别施加于对应的待测器件。
28.可选的，所述待测器件的数量为至少为三组，每组三个，所述高温栅偏测试装置包括至少三路所述第一驱动电路、所述第二驱动电路和所述第一驱动电路。
29.可选的，所述高温栅偏测试装置包括切换控制电路，用于当到达测试当前阈值电压值的时间点时，接通所述阈值电压测试装置，使其测试所述待测器件的当前阈值电压值，关断所述高温栅偏测试装置向所述待测器件输出三种驱动电压；所述当前阈值电压值测试后，接通所述高温栅偏测试装置向所述待测器件输出三种驱动电压，切断所述阈值电压测试装置与所述待测器件的连接，停止测试所述当前阈值电压值。
30.从上面所述可以看出，本说明书实施例提供的碳化硅mosfet器件高温栅偏试验方法及系统，利用阈值电压测试装置测试至少一组待测器件的初始阈值电压值，利用高温栅偏测试装置对至少一组待测器件进行三种驱动电压条件下的高温栅偏测试，在高温栅偏测试过程中，于不同的时间点利用阈值电压测试装置测试各组待测器件的当前阈值电压值，得到不同时间点对应的阈值电压值，高温栅偏测试结束后，根据初始阈值电压值和不同时间点对应的阈值电压值，对各组待测器件的阈值电压退化特性进行分析。本说明书充分考虑器件的实际工况，能够对碳化硅mosfet器件进行更为科学、全面、合理的可靠性试验。
附图说明
31.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本说明书实施例的高温栅偏试验方法流程示意图；
33.图2为本说明书实施例的高温栅偏试验系统结构框图；
34.图3为本说明书实施例的阈值电压测试装置的结构示意图；
35.图4为本说明书实施例的高温栅偏测试装置的结构示意图；
36.图5为本说明书实施例的三种驱动电压的时序图。
具体实施方式
37.为使本说明书的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本说明书进一步详细说明。
38.需要说明的是，除非另外定义，本说明书实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
39.图1为本说明书实施例的高温栅偏试验方法流程示意图，如图所示，本说明书实施例提供的碳化硅mosfet器件高温栅偏试验方法，用于对待测的碳化硅mosfet器件(以下简
称待测器件)进行可靠性试验，方法包括：
40.s101：利用阈值电压测试装置测试至少一组待测器件的初始阈值电压值；
41.本实施例中，在对待测器件进行高温栅偏测试之前，先利用阈值电压测试装置测试待测器件的初始阈值电压值。
42.一些方式中，在试验温度为150-300℃的条件下，利用高精度源表测试待测器件的初始阈值电压值。
43.s102：利用高温栅偏测试装置对至少一组待测器件进行三种驱动电压条件下的高温栅偏测试；三种驱动电压分别为正栅压为 20v、负栅压为0v的第一驱动电压，正栅压为 20v、负栅压为-5v的第二驱动电压，正栅压为 20v、负栅压为-10v的第三驱动电压；
44.本实施例中，试验条件为：试验温度为150-300℃，驱动电压分别为 20v/0v， 20v/-5v， 20v/-10v，利用高温栅偏测试装置对至少一组待测器件进行高温栅偏测试。
45.s103：在高温栅偏测试过程中，于不同的时间点利用阈值电压测试装置测试各组待测器件的当前阈值电压值，得到不同时间点对应的阈值电压值；
46.本实施例中，高温栅偏测试在测试时间段内持续进行，在测试时间段内，于不同的时间点利用阈值电压测试装置测试器件的当前阈值电压值，高温栅偏测试结束后，能够得到测试时间段内，于不同时间点所测得的阈值电压值。
47.s104：高温栅偏测试结束，根据初始阈值电压值和不同时间点对应的阈值电压值，对各组待测器件的阈值电压退化特性进行分析。
48.本实施例中，高温栅偏测试结束后，根据高温栅偏测试之前测得的初始阈值电压值和高温栅偏测试过程中测得的不时间点对应的阈值电压值，对各组待测器件的阈值电压退化特性进行分析，得到三种驱动电压条件下的待测器件的可靠性试验结果。
49.本实施例的碳化硅mosfet器件高温栅偏试验方法，在高温栅偏测试之前，先利用阈值电压测试装置测试至少一组待测器件的初始阈值电压值；然后利用高温栅偏测试装置对至少一组待测器件进行三种驱动电压条件下的高温栅偏测试；在高温栅偏测试过程中，于不同的时间点利用阈值电压测试装置测试各组待测器件的当前阈值电压值，得到不同时间点对应的阈值电压值；在高温栅偏测试结束后，根据测得的初始阈值电压值和不同时间点对应的阈值电压值，对各组待测器件的阈值电压退化特性进行分析。本说明书的可靠性试验方法，结合器件的栅极驱动特点和实际工况条件确定出了不同的试验条件，在不同的试验条件下对待测器件进行高温栅偏测试，并得到不同试验条件下待测器件的阈值电压退化特性，能够结合实际工况，对待测器件进行更为科学、全面、合理的可靠性试验，是对现有国际标准的补充和完善，对于后续制定适用于碳化硅mosfet器件的高温栅偏可靠性试验国际标准具有较大的参考价值。
50.以下结合具体实施例对本说明书的碳化硅mosfet器件高温栅偏试验方法进行具体说明。
51.在进行高温栅偏测试之前，首先利用阈值电压测试装置测试至少一组待测器件的初始阈值电压值。
52.结合图3所示，一些实施方式中，阈值电压测试装置包括第一高精度源表和第二高精度源表；将各组待测器件放置于恒温测试环境中，将待测器件的漏极、源极与第一高精度源表连接，将待测器件的栅极、源极与第二高精度源表连接，利用第一高精度源表和第二高
精度源表测试待测器件的初始阈值电压值。测试阈值电压值的原理为：施加于漏极、源极的电压恒定时，调节栅压，当漏源电流达到预定值时所对应的栅压即为阈值电压。
53.一些方式中，将待测器件放置于温箱或者水冷恒温平台上，由温箱或者水冷恒温平台提供150℃的试验温度条件；待环境温度稳定一定时间之后，利用第一高精度源表对待测器件的漏极、源极施加电压值为 10v的电压，然后，调节第二高精度源表的输出电压，当第一高精度源表测得的漏栅电流达到1ma时，将第二高精度源表当前的输出电压作为待测器件的初始阈值电压值。
54.确定各组待测器件的初始阈值电压值之后，利用高温栅偏测试装置对各组待测器件进行三种驱动电压条件下的高温栅偏测试。
55.结合图4、5所示，一些实施方式中，高温栅偏测试装置包括用于产生第一驱动电压的第一驱动电路，用于产生第二驱动电压的第二驱动电路，用于产生第三驱动电压的第三驱动电路以及脉冲控制电路。一组待测器件至少为三个，由第一驱动电路产生的第一驱动电压、第二驱动电路产生的第二驱动电压和第三驱动电路产生的第三驱动电压分别施加于三个待测器件，并由脉冲控制电路控制第一驱动电压、第二驱动电压、第三驱动电压的输出频率和占空比。
56.一些方式中，高温栅偏测试装置包括主控芯片、第一dc-dc转换器、第二dc-dc转换器、第三dc-dc转换器和脉冲控制电路；第一dc-dc转换器用于产生正栅压为 20v、负栅压为0v的第一驱动电压(表示为 20v/0v)，第二dc-dc转换器用于产生正栅压为 20v、负栅压为-5v的第二驱动电压(表示为 20v/-5v)，第三dc-dc转换器用于产生正栅压为 20v、负栅压为-10v的第三驱动电压(表示为 20v/-10v)，主控芯片通过控制脉冲控制电路，对第一驱动电压、第二驱动电压和第三驱动电压的输出频率和占空比进行控制。例如，在试验温度为150-300℃的条件下，由高温栅偏测试装置输出特定频率的第一驱动电压、第二驱动电压和第三驱动电压，三种特定频率的驱动电压分别施加于三个待测器件的栅极、源极，以对待测器件进行高温栅偏测试。一些方式中，特定频率的频率范围为100hz-300khz。
57.一些实施例中，高温栅偏测试需要在测试时间段内持续进行，在进行高温栅偏测试的测试时间段内，于不同的时间点利用阈值电压测试装置测试各组待测器件的当前阈值电压值，用于得到不同时间点所对应的阈值电压值。一些方式中，高温栅偏测试的测试时间段为1000小时，可将测试时间段划分为多个时间段，于每个时间段利用阈值电压测试装置测试待测器件的当前阈值电压值。例如，1000小时为六周左右，将1000小时按周划分为六个时间段，于每周的一个时间点测试待测器件的当前阈值电压值，这样，在高温栅偏测试结束之后，可得到六个时间段所对应的六个阈值电压值。
58.其中，当到达测试当前阈值电压值的时间点时，接通阈值电压测试装置，利用阈值电压测试装置测试待测器件的当前阈值电压值，关断高温栅偏测试装置向待测器件输出三种驱动电压，停止向待测器件输出三种驱动电压；当前阈值电压值测试后，接通高温栅偏测试装置向待测器件输出三种驱动电压，切断阈值电压测试装置与待测器件的连接，停止测试当前阈值电压值。
59.一些实施方式中，为保证可靠性试验效果，待测器件的数量至少为三组，每组三个。高温栅偏测试装置包括至少三路第一驱动电路、第二驱动电路和第一驱动电路，各路驱动电路的驱动电压分别施加于一个待测器件，能够对至少9个待测器件进行高温栅偏测试。
60.高温栅偏测试结束之后，根据测得的各组待测器件的初始阈值电压值和不同时间点对应的阈值电压值，对各组待测器件的阈值电压退化特性进行分析，可进一步分析失效机理和失效模型。
61.如图2所示，本说明书实施例还提供一种碳化硅mosfet器件高温栅偏试验系统，包括：
62.阈值电压测试装置，用于测试至少一组待测器件的初始阈值电压值；以及在高温栅偏测试过程中，于不同的时间点测试各组待测器件的当前阈值电压值，得到不同时间点对应的阈值电压值；
63.高温栅偏测试装置，用于对至少一组待测器件进行三种驱动电压条件下的高温栅偏测试；三种驱动电压分别为正栅压为 20v、负栅压为0v的第一驱动电压，正栅压为 20v、负栅压为-5v的第二驱动电压，正栅压为 20v、负栅压为-10v的第三驱动电压；
64.数据处理模块，用于在高温栅偏测试结束后，根据初始阈值电压值和不同时间点对应的阈值电压值，对各组待测器件的阈值电压退化特性进行分析。
65.一些实施例中，阈值电压测试装置包括第一高精度源表和第二高精度源表；在试验温度为150-300℃的条件下，待测器件的漏极、源极与第一高精度源表连接，待测器件的栅极、源极与第二高精度源表连接，利用第一高精度源表和第二高精度源表测试待测器件的初始阈值电压值。
66.一些实施例中，高温栅偏测试装置包括用于产生所述第一驱动电压的第一驱动电路，用于产生第二驱动电压的第二驱动电路，用于产生第三驱动电压的第三驱动电路以及用于控制第一驱动电压、第二驱动电压和第三驱动电压的输出频率的脉冲控制电路；在试验温度为150-300℃的条件下，将特定频率的所述第一驱动电压、第二驱动电压和第三驱动电压分别施加于对应的待测器件。
67.一些实施例中，待测器件的数量为至少为三组，每组三个，高温栅偏测试装置包括至少三路第一驱动电路、第二驱动电路和第一驱动电路。
68.一些实施例中，高温栅偏测试装置包括切换控制电路，用于当到达测试当前阈值电压值的时间点时，接通阈值电压测试装置，使其测试所述待测器件的当前阈值电压值，关断高温栅偏测试装置向待测器件输出三种驱动电压；当前阈值电压值测试后，接通高温栅偏测试装置向待测器件输出三种驱动电压，切断阈值电压测试装置与待测器件的连接，停止测试当前阈值电压值。这样，本实施例能够实现对待测器件的自动化测试，降低误差，提高测试效率和测试精度。
69.上述实施例的系统用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
70.本说明书实施例的碳化硅mosfet器件高温栅偏试验方法及系统，充分结合碳化硅mosfet器件的实际应用工况，在不同的驱动电压下，长期栅极脉冲功率冲击所带来的影响对碳化硅mosfet器件的可靠性有着重要的影响，基于此确定出符合实际工况的三种驱动电压条件；在三种驱动电压条件下，对待测器件进行可靠性试验，从而得到不同驱动电压条件下的可靠性试验结果，使得器件的可靠性试验更加科学、全面、合理，具有显著的工程价值意义，能够对现有的国际标准进行补充和完善。
71.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非
旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本说明书的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
72.另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本说明书难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(i c)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本说明书难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本说明书的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本说明书的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本说明书。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
73.尽管已经结合了本说明书的具体实施例对本说明书进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。
74.本说明书的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的保护范围之内。