CN114210605A

CN114210605A - 碳化硅功率半导体器件测试方法

Info

Publication number: CN114210605A
Application number: CN202111537539.7A
Authority: CN
Inventors: 张文杰; 李乐乐; 宋瓘; 刘启军; 陈喜明; 王亚飞; 周才能; 李诚瞻
Original assignee: Zhuzhou CRRC Times Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou CRRC Times Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2041-12-15
Also published as: CN114210605B

Abstract

本发明提供一种碳化硅功率半导体器件测试方法，该方法包括获得栅极筛选参考电压；测试获得各待测碳化硅功率半导体器件的第一额定阈值电压；测试各待测碳化硅功率半导体器件的待测器件栅极电压；当待测器件栅极电压大于或等于栅极筛选参考电压，判定初步合格；测试获得初步合格的各待测碳化硅功率半导体器件的第二额定阈值电压；当第一额定阈值电压与第二额定阈值电压的差异幅度大于预设变化率阈值时，判定不合格，反之，判定待测碳化硅功率半导体器件的合格。分别通过栅极漏电测试、阈值电压测试，并进行栅极电压对比和阈值电压对比分别进行筛选，能够有效筛选出在栅极漏电流测试中受损的芯片，确保筛选效率，并且提高了筛选精度。

Description

碳化硅功率半导体器件测试方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种碳化硅功率半导体器件测试方法。

背景技术

碳化硅功率半导体器件具有耐压高、热稳定好、开关损耗低、功率密度高等特点，被广泛应用在电动汽车、风能发电、光伏发电等新能源领域。

目前常用的碳化硅功率半导体器件主要包括：

碳化硅SBD(SchottkyBarrierDiode，肖特基二极管)与碳化硅MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应管)，其中碳化硅MOSFET器件属于单级器件，开通关断速度较快，对栅极可靠性提出了更高的要求，而由于碳化硅材料的物理特性，导致栅级结构中的栅氧层缺陷数量较多，致使碳化硅MOSFET器件栅极早期失效率相比硅MOSFET器件较高，限制了其商业化发展。

为提高碳化硅MOSFET器件栅级工作寿命，需要对碳化硅功率半导体器件进行基于栅极的测试，在将碳化硅功率半导体器件寿命较低的器件筛选出来，提高碳化硅功率半导体器件的使用寿命。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种碳化硅功率半导体器件测试方法。

一种碳化硅功率半导体器件测试方法，包括：

提供待测碳化硅功率半导体器件；

获得栅极筛选参考电压；

测试各所述待测碳化硅功率半导体器件的额定阈值电压，获得各所述待测碳化硅功率半导体器件的第一额定阈值电压；

测试各所述待测碳化硅功率半导体器件达到预设栅漏电流时的待测器件栅极电压，将所述待测碳化硅功率半导体器件的待测器件栅极电压与所述栅极筛选参考电压对比；

当所述待测碳化硅功率半导体器件的待测器件栅极电压小于所述栅极筛选参考电压，则判定所述待测碳化硅功率半导体器件不合格，当所述待测碳化硅功率半导体器件的待测器件栅极电压大于或等于所述栅极筛选参考电压，则判定所述待测碳化硅功率半导体器件初步合格；

测试初步合格的各所述待测碳化硅功率半导体器件的额定阈值电压，获得各所述待测碳化硅功率半导体器件的第二额定阈值电压；

将初步合格的所述待测碳化硅功率半导体器件的第一额定阈值电压与第二额定阈值电压对比，当所述第一额定阈值电压与所述第二额定阈值电压的差异幅度大于预设变化率阈值时，判定所述待测碳化硅功率半导体器件的不合格，当所述第一额定阈值电压与所述第二额定阈值电压的的差异幅度小于所述预设变化率阈值时，判定所述待测碳化硅功率半导体器件的合格。

在其中一个实施例中，所述获得栅极筛选参考电压的步骤包括：

对多个样本碳化硅功率半导体器件进行栅极漏电测试，基于对各所述样本碳化硅功率半导体器件的栅极漏电测试结果，获得所述栅极筛选参考电压。

在其中一个实施例中，所述对多个样本碳化硅功率半导体器件进行栅极漏电测试，基于对各所述样本碳化硅功率半导体器件的栅极漏电测试结果，获得所述栅极筛选参考电压的步骤包括：

对多个所述样本碳化硅功率半导体器件进行栅极漏电测试，在测试过程中逐渐增加栅级电压直至达到预设栅漏电流，根据各所述样本碳化硅功率半导体器件的预设栅漏电流对应的栅级电压确定所述栅极筛选参考电压。

在其中一个实施例中，所述基于对各所述样本碳化硅功率半导体器件的栅极漏电测试结果，获得所述栅极筛选参考电压的步骤包括：

对多个所述样本碳化硅功率半导体器件进行栅极漏电测试，在测试过程中逐渐增加栅级电压直至达到预设栅漏电流，记录各所述样本碳化硅功率半导体器件的预设栅漏电流对应的栅级电压为样本栅极电压；

计算各所述样本碳化硅功率半导体器件的样本栅极电压的平均值，得到栅极均值电压；

基于所述栅极均值电压，确定所述栅极筛选参考电压。

在其中一个实施例中，所述基于所述栅极均值电压，确定所述栅极筛选参考电压的步骤包括：

基于预设百分比计算所述栅极均值电压，确定所述栅极筛选参考电压。

在其中一个实施例中，所述预设百分比为75％至85％。

在其中一个实施例中，所述计算各所述样本碳化硅功率半导体器件的样本栅极电压的平均值，得到栅极均值电压的步骤包括：

从各所述样本碳化硅功率半导体器件的样本栅极电压中剔除最大的样本栅极电压和最小的样本栅极电压；

计算剔除后的各所述样本碳化硅功率半导体器件的样本栅极电压的平均值，得到栅极均值电压。

在其中一个实施例中，所述测试各所述待测碳化硅功率半导体器件的额定阈值电压的步骤为：

将所述待测碳化硅功率半导体器件的的栅极与漏极短接，测试各所述待测碳化硅功率半导体器件的额定阈值电压。

在其中一个实施例中，所述预设变化率阈值为4％至6％。

在其中一个实施例中，所述预设变化率阈值为5％。

上述碳化硅功率半导体器件测试方法，分别通过栅极漏电测试、阈值电压测试，并进行栅极电压对比和阈值电压对比分别进行筛选，能够有效筛选出在栅极漏电流测试中受损的芯片，确保筛选效率，并且提高了筛选精度，有效提高了碳化硅功率半导体器件的出厂良率。

附图说明

图1为一个实施例中的碳化硅功率半导体器件测试方法的流程示意图；

图2为一个实施例中的栅极电压波形图；

图3为另一个实施例中的栅极电压波形图；

图4为另一个实施例中的碳化硅功率半导体器件测试方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种碳化硅功率半导体器件测试方法，其包括：

步骤110，提供待测碳化硅功率半导体器件。

本实施例中，所提供的待测碳化硅功率半导体器件为初步筛选后的碳化硅功率半导体器件。具体地，初步筛选可提高测试的准确性。

本实施例中，各待测碳化硅功率半导体的筛选基于如下要求：包含来自不同的流片批次的碳化硅功率半导体器件，流片批次不少于3个批次；包含来自同一个流片批次不同晶圆的碳化硅功率半导体器件；来自同一片晶圆的碳化硅功率半导体器件数量不少于10只。这样，从不同的流片批次中随机挑选多个不同晶圆的碳化硅功率半导体器，能够使得测试的样本或者测试的范围覆盖得足够大，从而提高测试的准确性。

步骤120，获得栅极筛选参考电压。

本实施例中，该栅极筛选参考电压用于对各待测碳化硅功率半导体进行初步筛选。该栅极筛选参考电压为碳化硅功率半导体在栅极漏电流情况下的栅极电压，该栅极筛选参考电压可以是预先测试获得，也可以是预先计算获得，作为待测碳化硅功率半导体的栅极电压的参考对比值。

步骤130，测试各所述待测碳化硅功率半导体器件的额定阈值电压，获得各所述待测碳化硅功率半导体器件的第一额定阈值电压。

本实施例中，逐一测试各待测碳化硅功率半导体器件的额定阈值电压，作为第一额定阈值电压。本步骤中的测试为阈值电压测试，本实施例中，在额定阈值电压的测试过程中，需要将待测碳化硅功率半导体器件的的栅极与漏极短接。一个实施例中所述测试各所述待测碳化硅功率半导体器件的额定阈值电压的步骤为：将所述待测碳化硅功率半导体器件的的栅极与漏极短接，测试各所述待测碳化硅功率半导体器件的额定阈值电压。

步骤140，测试各所述待测碳化硅功率半导体器件达到预设栅漏电流时的待测器件栅极电压，将所述待测碳化硅功率半导体器件的待测器件栅极电压与所述栅极筛选参考电压对比。

本实施例中，本步骤中的测试也称为栅极漏电测试，测试待测碳化硅功率半导体器件在达到预设栅漏电流时的栅极电压，该栅极电压即为待测器件栅极电压，并将待测器件栅极电压与所述栅极筛选参考电压进行对比。

步骤150，当所述待测碳化硅功率半导体器件的待测器件栅极电压小于所述栅极筛选参考电压，则判定所述待测碳化硅功率半导体器件不合格，当所述待测碳化硅功率半导体器件的待测器件栅极电压大于或等于所述栅极筛选参考电压，则判定所述待测碳化硅功率半导体器件初步合格。

本实施例中，当待测器件栅极电压小于栅极筛选参考电压，则判定该待测碳化硅功率半导体器件不合格，反之，当待测器件栅极电压大于或等于栅极筛选参考电压，则判定该待测碳化硅功率半导体器件初步合格，可继续进行下一步的测试。

步骤160，测试初步合格的各所述待测碳化硅功率半导体器件的额定阈值电压，获得各所述待测碳化硅功率半导体器件的第二额定阈值电压。

本步骤中的测试为阈值电压测试，本实施例中，再次对待测碳化硅功率半导体器件进行阈值电压测试，本次的测试对象为上一步骤中筛选出的初步合格的待测碳化硅功率半导体器件，测试初步合格的待测碳化硅功率半导体器件额定阈值电压，该额定阈值电压即为第二额定阈值电压。

步骤170，将初步合格的所述待测碳化硅功率半导体器件的第一额定阈值电压与第二额定阈值电压对比，当所述第一额定阈值电压与所述第二额定阈值电压的差异幅度大于预设变化率阈值时，判定所述待测碳化硅功率半导体器件的不合格，当所述第一额定阈值电压与所述第二额定阈值电压的的差异幅度小于所述预设变化率阈值时，判定所述待测碳化硅功率半导体器件的合格。

本实施例中，将初步合格的待测碳化硅功率半导体器件的第二额定阈值电压与早前自身测试得到的第一额定阈值电压进行对比，检测该待测碳化硅功率半导体器件在前后两次的阈值电压测试中的额定阈值电压的变化幅度，该差异幅度即为变化幅度，也即待测碳化硅功率半导体器件在前后两次的阈值电压测试中的额定阈值电压的变化率。当第一额定阈值电压与第二额定阈值电压的差异幅度大于预设变化率阈值时，则意味着该待测碳化硅功率半导体器件较为不稳定，判定该待测碳化硅功率半导体器件的不合格，当第一额定阈值电压与第二额定阈值电压的的差异幅度小于预设变化率阈值时，则意味着该待测碳化硅功率半导体器件较为稳定，判定所述待测碳化硅功率半导体器件的合格。

上述实施例中，分别通过栅极漏电测试、阈值电压测试，并进行栅极电压对比和阈值电压对比分别进行筛选，能够有效筛选出在栅极漏电流测试中受损的芯片，确保筛选效率，并且提高了筛选精度，有效提高了碳化硅功率半导体器件的出厂良率。

在其中一个实施例中，所述获得栅极筛选参考电压的步骤包括：对多个样本碳化硅功率半导体器件进行栅极漏电测试，基于对各所述样本碳化硅功率半导体器件的栅极漏电测试结果，获得所述栅极筛选参考电压。

本实施例中，对样本碳化硅功率半导体器件的栅极漏电测试也可以称为摸底测试。通过对样本碳化硅功率半导体器件进行栅极漏电测试，可以的得到作为参考的栅极筛选参考电压。

值得一提的是，该样本碳化硅功率半导体器件作为样本测试的得到栅极筛选参考电压，该样本碳化硅功率半导体器件可以是与待测碳化硅功率半导体器件不同批次的器件，该样本碳化硅功率半导体器件也可以是待测碳化硅功率半导体器件，比如，对全部的待测碳化硅功率半导体器件进行栅极漏电测试，从而得到这一批的待测碳化硅功率半导体器件的栅极筛选参考电压，随后再对各待测碳化硅功率半导体器件进行逐一的栅极漏电测试，得到单个的待测碳化硅功率半导体器件的待测器件栅极电压后，将待测器件栅极电压与栅极筛选参考电压进行对比。

在其中一个实施例中，所述对多个样本碳化硅功率半导体器件进行栅极漏电测试，基于对各所述样本碳化硅功率半导体器件的栅极漏电测试结果，获得所述栅极筛选参考电压的步骤包括：对多个所述样本碳化硅功率半导体器件进行栅极漏电测试，在测试过程中逐渐增加栅级电压直至达到预设栅漏电流，根据各所述样本碳化硅功率半导体器件的预设栅漏电流对应的栅级电压确定所述栅极筛选参考电压。

本实施例中，对每一个样本碳化硅功率半导体器件进行栅极漏电测试，栅漏电流即为栅极漏电流，预设栅漏电流也可称为预设栅极漏电流，测试过程中的测试温度在碳化硅功率半导体器件允许的最大工作结温或壳温内进行，在测试过程中，逐渐增大栅极电压，如图2和图3所示，坐标轴的横轴为时间，纵轴为栅极电压，图2和图3中是两种逐渐增加栅极电压的方式，在测试过程中逐渐增加栅级电压直至样本碳化硅功率半导体器达到预设栅漏电流，则记录该样本碳化硅功率半导体器的栅极电压，通过各样本样本碳化硅功率半导体器的栅极电压，即可确定栅极筛选参考电压。

在其中一个实施例中，所述基于对各所述样本碳化硅功率半导体器件的栅极漏电测试结果，获得所述栅极筛选参考电压的步骤包括：对多个所述样本碳化硅功率半导体器件进行栅极漏电测试，在测试过程中逐渐增加栅级电压直至达到预设栅漏电流，记录各所述样本碳化硅功率半导体器件的预设栅漏电流对应的栅级电压为样本栅极电压；计算各所述样本碳化硅功率半导体器件的样本栅极电压的平均值，得到栅极均值电压；基于所述栅极均值电压，确定所述栅极筛选参考电压。

本实施例中，将各样本碳化硅功率半导体器件的样本栅极电压的平均值作为栅极筛选参考电压，能够较为精确地确定作为参考的栅极电压，使得栅极电压的对比结果更为准确。

在其中一个实施例中，所述基于所述栅极均值电压，确定所述栅极筛选参考电压的步骤包括：基于预设百分比计算所述栅极均值电压，确定所述栅极筛选参考电压。

本实施例中，计算栅极均值电压在预设百分比计下的值，该值即为栅极筛选参考电压。一个实施例是，计算所述栅极均值电压与预设百分比的乘积，获得栅极筛选参考电压。

在其中一个实施例中，所述预设百分比为75％至85％。这样，能够使得栅极工作在较为安全的电压下，在确保器件栅极安全情况下，筛选出不合格的碳化硅功率半导体器件。在一个实施例中，所述预设百分比为80。这样，可进一步提高测试的安全性，并且可筛选出不合格的碳化硅功率半导体器件。

在其中一个实施例中，所述计算各所述样本碳化硅功率半导体器件的样本栅极电压的平均值，得到栅极均值电压的步骤包括：从各所述样本碳化硅功率半导体器件的样本栅极电压中剔除最大的样本栅极电压和最小的样本栅极电压；计算剔除后的各所述样本碳化硅功率半导体器件的样本栅极电压的平均值，得到栅极均值电压。

本实施中，在计算样本栅极电压的平均之前，首先剔除样本栅极电压中的极值，该极值为各本栅极电压中剔除最大的样本栅极电压和最小的样本栅极电压，将极值删除后，能够排除误差的干扰，能够进一步提高栅极均值电压的精度，提高栅极筛选参考电压的准确性。

在一个实施例中，所述将初步合格的所述待测碳化硅功率半导体器件的第一额定阈值电压与第二额定阈值电压对比，当所述第一额定阈值电压与所述第二额定阈值电压的差异幅度大于预设变化率阈值时，判定所述待测碳化硅功率半导体器件的不合格，当所述第一额定阈值电压与所述第二额定阈值电压的的差异幅度小于所述预设变化率阈值时，判定所述待测碳化硅功率半导体器件的合格中的步骤为：

将初步合格的所述待测碳化硅功率半导体器件的第一额定阈值电压与第二额定阈值电压对比，当所述第一额定阈值电压与所述第二额定阈值电压的变化率绝对值大于预设变化率阈值时，判定所述待测碳化硅功率半导体器件的不合格，当所述第一额定阈值电压与所述第二额定阈值电压的变化率绝对值小于所述预设变化率阈值时，判定所述待测碳化硅功率半导体器件的合格中，其中，所述预设变化率阈值为4％至6％。在其中一个实施例中，所述预设变化率阈值为5％。即，当待测碳化硅功率半导体器件在前后两次的额定阈值电压测试中，变化率大于5％，则意味着碳化硅功率半导体器件的额定阈值电压波动较大，因此，该碳化硅功率半导体器件较为不稳定或者存在故障，因此，判定该碳化硅功率半导体器件为不合格。反之，当碳化硅功率半导体器件的额定阈值电压的变化率绝对值小于5％，则意味着碳化硅功率半导体器件的额定阈值电压波动较小，意味着该碳化硅功率半导体器件较为稳定，因此，判定该碳化硅功率半导体器件合格。

值得一提的是，该变化率计算过程为：计算第一额定阈值电压与第二额定阈值电压的差值的绝对值，得到差值绝对值，计算差值绝对值与第一额定阈值电压的比，即可获得变化率绝对值。

实施例二

为了更好的说明，本发明的详细技术方案如图4所示，具体如下：

步骤1，基于一定数量的目标器件进行摸底测试，用于摸底的测试的器件必须满足如下要求：包含来自不同的流片批次的器件，流片批次不得少于3个批次；包含来自同一个流片批次不同晶圆的器件；来自同一片晶圆的器件数量不得少于10只。

摸底测试为栅级漏电测试，所施加的栅压信号如图2或者图3所示，测试温度在器件允许的最大工作结温或壳温内选择，在测试过程中不断增加栅级电压直至达到特定栅级漏电流为止，并记录下特定栅级漏电流下的栅级电压，统计栅极电压测试结果。排除极值后再取均值的80％幅值，作为栅级筛选标准电压；

步骤2，测试器件的额定阈值电压，测试时器件栅级与漏极短接；

步骤3，使用图2或者图3的栅压测试信号，测试得出在步骤1中所使用测试温度，及特定栅漏电流下的栅级电压；

步骤4，将步骤3所得的栅极电压与步骤1所确定栅极电压标准对比，若低于则判定器件不合格；

步骤5，按步骤2测试条件，测试步骤3中筛选出的合格器件额定阈值电压，并与步骤2所得阈值对比，若变化率绝对值大于5％，则判定器件不合格。

本发明提供了一种区别传统的碳化硅功率半导体器件测试方法，该方法可集成在器件出厂测试中，高效率筛选出栅极不合格芯片。

发明创新点1：本发明通过摸底测试、栅极漏电流测试和栅极电压对比测试流程，可明确不同类型器件的合格栅极筛选条件；

发明创新点2：本发明将栅极筛选电压标准设定为摸底测试中在特定栅极漏电流下，所得栅极电压(除极值外)平均值的80％幅值，可在确保器件栅极安全情况下，筛选出不合格器件。

发明创新点3：本发明通过阈值电压测试、栅极漏电测试、阈值电压测试和阈值电压对比流程，可筛选出在栅极漏电流测试中受损的芯片，确保筛选效率。

此外，本发明所使用的栅级信号不仅可以为正栅压，也可以为负栅压。本发明所适用的器件类型不做限制，可适用于包含栅结构的所有碳化硅功率半导体器件，例如MOSFET、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管)等；本发明适用如下场合：芯片、分立器件、模块等。

应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行，比如，步骤120可在步骤130之前执行，也可在步骤130之后执行，或者两者同时执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种碳化硅功率半导体器件测试方法，其特征在于，包括：

提供待测碳化硅功率半导体器件；

获得栅极筛选参考电压；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得栅极筛选参考电压的步骤包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对多个样本碳化硅功率半导体器件进行栅极漏电测试，基于对各所述样本碳化硅功率半导体器件的栅极漏电测试结果，获得所述栅极筛选参考电压的步骤包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于对各所述样本碳化硅功率半导体器件的栅极漏电测试结果，获得所述栅极筛选参考电压的步骤包括：

基于所述栅极均值电压，确定所述栅极筛选参考电压。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述栅极均值电压，确定所述栅极筛选参考电压的步骤包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设百分比为75％至85％。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算各所述样本碳化硅功率半导体器件的样本栅极电压的平均值，得到栅极均值电压的步骤包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测试各所述待测碳化硅功率半导体器件的额定阈值电压的步骤为：

9.根据权利要求1-8任一项中所述的方法，其特征在于，所述预设变化率阈值为4％至6％。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述预设变化率阈值为5％。