功率器件环境可靠性测试的加速老化物理模型
发布时间：2024-04-09 09:41:14
高温栅偏（High Temperature Gate Bias，HTGB）、高温反偏（High Temperature Reverse Bias，HTRB）、高温高湿反偏（High Humidity High Temperature Reverse Bias，H3TRB）等环境可靠性测试是进行功率器件寿命评估所必备的试验。由于不同标准下的试验条件并不相同，因而理解上述环境可靠性测试采用的加速老化物理模型是十分必要的。
温度场、湿度场和电场是老化测试的加速因子。温度场的作用是为了增大电子或空穴迁移率，增大碰撞电离或暴露污染离子，进而加速栅氧化层或钝化层老化；电场的作用是为了增大电子迁移速率或积聚污染离子，进而加速栅氧化层或钝化层老化。湿度场的作用是为了增大金属离子电化学迁移现象的速率，加快电树枝的形成，进而加速钝化层老化。一般情况下是上述电场、温度场和湿度场对功率期间进行共同作用。
本文基于JEDEC标准简要介绍了HTGB、HTRB、H3TRB试验所采用的加速老化模型与其适用范围。
HTGB加速老化模型
HTGB试验对应器件栅氧化层失效的加速老化物理模型为时间相关介质击穿（Time-Dependent Dielectric Breakdown，TDDB），涉及到电场与温度场共同作用。在TDDB模型中，基于F-N隧穿效应的1/E模型与基于电偶极子交互作用的E模型以其良好的物理机理及拟合结果被广泛应用。
HTGB加速老化模型 | 1/E模型 | E模型 |
| 机理 | 在施加偏置电压时，阴极的电子经过F-N隧穿效应进入栅氧化层的导带，受电场EOX加速并与SiO2晶格发生碰撞电离，产生陷阱。陷阱的存在导致局部缺陷处电场及隧穿电流增加，形成正反馈加速了碰撞电离及陷阱的产生，最终形成导电通道击穿栅氧化层。 | SiO2中Si的电子被O吸附形成带正电的Si离子和负电的O离子即Si-O电偶极子。在高温及电场（<10MV/cm）环境下，Si-O电偶极子使得局部电场增大与Si/SiO2界面处分子共价键断裂所需的活化能降低，导致Si/SiO2界面处热键断裂，且电场的增大指数级地增加了器件失效的速率。 |
| 适用范围 | 高电场（>10MV/cm） | 低电场（≤10MV/cm） |
HTRB加速老化模型
HTRB试验通过在高温下对器件施加阻断电压进而考核器件的终端和钝化层，同样涉及到电场与温度场的共同作用，其对应失效的加速老化物理模型为含电压加速因子的扩充Eyring模型与逆幂律模型。
HTRB加速老化模型 | 扩充Eyring模型 | 逆幂律模型 |
| 说明 | 以量子力学为基础，从物理理论层面解释与扩充了基于经验公式的 Arrhenius模型 | 描述单一加速应力（电压、温度、电流等）与寿命的关系，其表明元器件寿命与主要应力的幂成反比关系。 |
| 适用范围 | 低压电子器件 | 高压功率器件 |
H3TRB加速老化模型
H3TRB考核功率半导体器件漏极在电应力以及高温高湿条件下的可靠性，同样涉及到温度场、湿度场与电场的共同作用，相对应的加速老化物理模型为Peck模型与HV-H3TRB模型。
H3TRB加速老化模型 | Peck模型 | HV-H3TRB模型 |
| 说明 | 综合考虑了温度、湿度的影响 | 将电压加速因子引入传统的Peck模型中进行进一步改进 |
| 适用范围 | 偏压≤100V | 偏压＞100V |