晶圆级老化测试，提升宽禁带器件可靠性

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率器件正在汽车、工业、消费电子等多个领域快速普及。不同应用场景的工作剖面与可靠性要求各不相同。晶圆级老化测试（WLBI）是一项关键的早期缺陷筛选手段，能够剔除早期失效器件、识别工艺漂移，提升封装与功率模块的良率和可靠性。

碳化硅与氮化镓的核心可靠性难题

碳化硅MOSFET已经大量应用于电动车牵引逆变器、工业电机驱动、机器人、新能源系统、电网以及数据中心等场景。采用1200V及以上规格的器件，相比传统硅基器件可以提升效率与功率密度。

650V及更低电压等级的氮化镓HEMT，在消费类电源适配器、数据中心和车载DC/DC变换器、激光雷达、光伏逆变器领域增长迅猛。氮化镓HEMT寄生参数小、开关损耗低，支持更高开关频率，可实现新型变换器拓扑。过去十年，碳化硅和氮化镓功率器件的可靠性都取得长足进步，但制造缺陷依然存在。

碳化硅面临的问题

长期来看，栅氧化层一直是碳化硅MOSFET失效概率最高的薄弱环节。随着工艺优化，该氧化层的本征缺陷密度已经接近硅器件水平。时变介质击穿（TDDB）测试显示，器件在175℃、额定最大电压下的寿命可超过100年。

但由于界面处存在碳，碳化硅栅氧化层及其界面的非本征缺陷远多于硅器件。这类缺陷会形成电荷陷阱位点，导致碳化硅MOSFET的沟道迁移率低于理论值。

还有一类缺陷会形成局部薄层或者陷阱辅助隧穿通道，产生薄弱点，引发早期失效，造成栅极漏电流增大、栅氧化层击穿。碳化硅体材料中的基面位错，在体二极管正向导通状态下会继续扩展，劣化器件关态特性、增大导通电阻，最终导致整机系统故障。

汽车应用对质量和可靠性要求极高。硅基器件已经做到在整车生命周期内，失效率接近十亿分之零。AEC-Q101器件规范、AQG-324模块规范等严苛认证标准、工况剖面测试、工艺与封装阶段的高精度检测，再加上六十多年的工艺和器件积累、成熟可预测的失效模式与模型，共同支撑了硅器件极高的可靠性。

而碳化硅行业仍处在摸索阶段，尚未完全掌握全部失效机理、建立成熟失效模型。JEDEC可靠性规范、AQG-324等标准也在持续更新，不断新增或补充认证测试项目。

氮化镓面临的问题

横向氮化镓HEMT在高漏极偏置下会产生不均匀强电场，引发电荷俘获效应。由此带来的动态导通电阻上升已经被充分研究。通过优化器件设计、外延生长条件、介质钝化层和金属化工艺，该问题已经得到较好控制，不再是难以解决的障碍。

JEP180等标准已经明确氮化镓HEMT典型失效机理，并给出动态高温工作寿命、加速开关寿命等推荐测试项目。

肖特基栅 /p-GaN层之间的强电场会造成漏电流持续上升，最终引发栅极短路，这是另一类已知失效模式。另外，氮化镓与硅衬底之间晶格常数、热膨胀系数不匹配，也会产生应力诱发型缺陷。

晶圆级老化测试（WLBI）用于宽禁带功率模块的优势

半导体器件的失效率在对数时间轴上一般符合浴缸曲线（图1）。曲线中间平坦区域服从指数分布，失效率 λ 恒定（单位：每百万小时失效数）。λ 可以通过封装器件的可靠性认证测试测得，这类测试时长通常超过1000小时，用来预测器件的失效率和寿命。

器件早期失效率很高，会随时间快速下降；颗粒污染、氧化层针孔、划痕等缺陷都会造成这类早期失效，服从对数正态分布，平均寿命短、离散度大。

零时刻的早期失效率R，可能比稳态区失效率 λ 高出数个数量级。功率模块内部由多个无冗余器件并联（例如电动车牵引逆变器往往并联20颗以上MOSFET），模块整体失效率等于单颗器件失效率乘以器件数量n，也就是n × R。

加速应力测试

在晶圆探针台使用自动化测试设备做加速应力测试，是筛选早期失效的一种方式。但这类测试需要多次探压才能覆盖整片晶圆，受总测试时长限制，单颗器件的应力时间通常只有数秒。想要合理施加应力偏置，需要成熟的加速模型；但宽禁带器件很多失效机理尚不成熟，加速模型并不完善。

过度施加应力还会造成 “隐性损伤芯片”：芯片本身没有当场失效，但已经被测试应力损伤。浴缸曲线的早期失效阶段长达数小时，在这个时间尺度下开展老化测试，合理搭配应力电压与温度，避免人为引入新损伤，可以更安全、高效地筛除早期失效芯片。

宽禁带器件单片成本较高，量产型晶圆级老化测试系统相比模块级老化，筛选早期失效（早夭失效）的效率更高、成本更低，如图2所示。

图2：模块良率随单模块芯片数量变化关系，曲线由单颗芯片良率损失决定

Aehr Test Systems FOX-XP晶圆级老化平台

Aehr Test Systems是全球半导体测试与老化方案厂商，其FOX-XP是一款支持多片晶圆同步测试与老化的设备。

图3：FOX-XP测试主机、WaferPak接触组件与全自动WaferPak对准台

测试机 “刀卡（blade）”

FOX-XP最多搭载18个刀卡，可同时对18片晶圆并行测试、老化。刀卡采用模块化架构，单块刀卡最多可配置8个模块 / 仪器。

针对碳化硅、氮化镓测试方案，通常包含：通用测量通道模块、可输出正负电压、用于驱动栅极的双极性电压通道模块，以及最高可输出2000V漏极电压、用于反向偏置测试的高压通道模块。

每块刀卡相互独立，可以跑不同晶圆、不同测试程序；单块晶圆最大可承受3.5kW功率加载与散热。

晶圆探针接口

FOX WaferPak是晶圆探针组件，集成温控晶圆吸盘和整片晶圆接触座。WaferPak支持4英寸至12英寸晶圆，温度最高可达150℃。

一般选用耐用、低成本微型弹簧探针（pogo pin）和晶圆焊盘接触。单个WaferPak最多布置50000根探针，一次探压即可完成300mm晶圆上全部芯片的接触。测试时晶圆区域形成真空密闭腔；高压应力测试过程中通入氮气保护，防止打火。

对准台

可搭配FOX WaferPak自动对准台，自动完成探针与焊盘对准，并将晶圆装入WaferPak。WaferPak再自动送入FOX-XP各个刀卡完成老化，测试结束后自动下料循环。整套流程由SECS-GEM协议管控，支持无人关灯生产。

FOX-XP测试能力示例

FOX-XP可执行多种老化、特性表征以及工艺监控测试，举例如下：

• 高温栅偏测试，VGS范围：40V ~ -30V，监测栅漏电流IGSS

• 高温漏极偏置测试，VDS最高2000V，监测漏极漏电流IDSS

• 体二极管正向偏置应力测试，单片晶圆总源极电流＞1000A

• 阈值电压测试

• 栅氧化层可靠性TDDB测试

TDDB测试时，可以在同一片晶圆的不同芯片上施加最多128档VGS电压，一次老化循环即可完成大范围栅氧化层TDDB表征。

图4：FOX-XP开展晶圆级TDDB测试示例

图4左侧是分bin后的晶圆分布图，bin编号对应失效芯片的VGS；右侧是每颗失效芯片的失效时间曲线。系统会记录每颗芯片的失效时间，用来绘制威布尔曲线，计算TDDB寿命。测试软件对所有晶圆、芯片位置提供全流程追溯。

晶圆级老化测试与器件表征

Aehr Test Systems的FOX-XP是一款模块化平台，能够在量产环境下并行完成晶圆级老化与器件特性表征。晶圆级老化测试可以有效筛除宽禁带器件的早期失效，不仅适用于电动车这类汽车场景，也适合数据中心功率变换器、集中式光伏逆变器、通信 / 5G、机器人等工业场景。

该公司还推出工程版FOX-NP测试系统，用于可靠性研究、器件表征、中试线开发与监控。该机型支持1~2片晶圆，软硬件和量产版FOX-XP完全兼容，支持手动装载WaferPak，也可以搭配DiePak载具，测试单颗分立芯片或者功率模块。