中心議題:
- IGBT及其子器件的四種失效模式
解決方案:
- MOS柵擊穿失效模式
- IGBT——MOS閾值電壓漂移
- IGBT壽命期內(nèi)有限次連續(xù)短路脈沖沖擊的累積損傷
- 靜電放電保護(hù)用高壓npn管的硅熔融
1、 引言
IGBT及其派生器件,例如:IGCT,是MOS和雙極集成的混合型半導(dǎo)體功率器件。因此,IGBT的失效模式,既有其子器件MOS和雙極的特有失效模式,還有混合型特有的失效模式。MOS是靜電極敏感器件,因此,IGBT也是靜電極敏感型器件,其子器件還應(yīng)包括靜電放電(SED)防護(hù)器件。據(jù)報(bào)道,失效的半導(dǎo)體器件中,由靜電放電及相關(guān)原因引起的失效,占很大的比例。例如:汽車行業(yè)由于失效而要求退貨的器件中,其中由靜電放電引起的失效就占約30%。
本文通過案例和實(shí)驗(yàn),概述IGBT及其子器件的四種失效模式:
(1) MOS柵擊穿;
(2) IGBT——MOS閾值電壓漂移;
(3) IGBT壽命期內(nèi)有限次連續(xù)短路脈沖沖擊的累積損傷;
(4) 靜電放電保護(hù)用高壓npn管的硅熔融。
2、 MOS柵擊穿
IGBT器件的剖面和等效電路見圖1。
由圖1可見,IGBT是由一個(gè)MOS和一個(gè)npnp四層結(jié)構(gòu)集成的器件。而MOS是金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)稱。其中,氧化物通常是硅襯底上氧化而生成的SIO2,有時(shí)還迭加其他的氧化物層,例如Si3N4,Al2O3。通常設(shè)計(jì)這層SiO2的厚度ts: 微電子系統(tǒng):ts<1000A 電力電子系統(tǒng):ts≥1000A。
SiO2,介質(zhì)的擊穿電壓是1×1019V/m。那么,MOS柵極的擊穿電壓是100V左右。
人體產(chǎn)生的靜電強(qiáng)度U:濕度10-20%,U>18000V;濕度60-90%時(shí),U≥1500V。
上述數(shù)據(jù)表明,不附加靜電保護(hù)的MOS管和MOS集成電路(IC),只要帶靜電的人體接觸它,MOS的絕緣柵就一定被擊穿。
案例:上世紀(jì)六十年代后期,某研究所研制的MOS管和MOS集成電路。不管是安裝在印刷電路板上還是存放在盒中的此種器件,都出現(xiàn)莫名其妙的失效。因此,給MOS一個(gè)綽號(hào):摸死管。
如果這種“摸死”問題不解決,我國(guó)第一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MOS集成電路微型計(jì)算機(jī)就不可能在1969年誕生。經(jīng)過一段時(shí)間的困惑,開始懷疑靜電放電的作用。為了驗(yàn)證,準(zhǔn)備了10支柵極無任何防護(hù)的MOS管,用晶體管特性測(cè)試儀重新測(cè)試合格后,即時(shí)將該器件再往自己身上摩擦一下再測(cè)特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn):100%柵擊穿!隨后,在MOS管的柵極一源極之間反并聯(lián)一個(gè)二極管,問題就基本解決。意外的結(jié)果:“摸死管”成了一句引以為戒的警語(yǔ)。該研究所內(nèi)接觸和應(yīng)用MOS管MOS-IC的同事,對(duì)靜電放電對(duì)器件的破壞性影響都有了深刻的體驗(yàn)。
3、 IGBT——MOS閾值電壓漂移——一種可能隱藏的失效模式
MOS管的閾值電壓Vth的方程式:
式中,VSS=表面態(tài)閾值電壓,Vhh =本征閾值電壓,常數(shù),(費(fèi)米勢(shì)),N=硅襯底雜質(zhì)濃度。
[page]
圖2是柵電壓VG和柵電容CO的C—V曲線,曲線上的箭頭表時(shí)掃描方向。
由圖2可見。C—V曲線是一條遲滯回路,該回路包絡(luò)的面積等于表面態(tài)電荷,QSS是由Si—SiO2界面缺陷和正電荷離子引起的。而且,Si—SiO2界面的QSS始終是正的。即VSS總是向VITH正向移動(dòng)。這就決定了溝增強(qiáng)型MOS管和P溝數(shù)字集成電路容易實(shí)現(xiàn)。
為了減小QSS和防止SiO2——Si界面電荷交換與移動(dòng),引起閾值電壓漂移,采取了許多措施:
(1) 將<111>硅襯底換為<100>硅襯底,減小硅表面的非飽和鍵;
(2) 制備工藝中使用的石英器皿,氣體和化學(xué)試劑均提升純度級(jí)別,盡量減小Na離子的污染含量;
(3) 研發(fā)新的絕緣柵介質(zhì)系列:
·Si3N4——Si,Si3N4——SiO2——Si;
·Al2O3——Si,Al2O3——SiO2——Si。
以上措施,對(duì)低壓微功耗的微電子的應(yīng)用,已證明MOS與MOSIC是可靠的。但是對(duì)于電力電子應(yīng)用的場(chǎng)合:高電壓,大電流和工作溫度范圍較寬。特別是,靜電放電電壓接近柵極擊穿電壓而又未穿柵極時(shí),例如上文所示接近100V時(shí),仍有隱憂:
(1) 較高柵電壓下,閾值電壓漂移較大,圖3示出P溝硅柵MOS在高柵電壓下的。由圖3可見,柵電壓VG=40V時(shí),=4V。
(2) PT—IGBT在高溫柵偏壓下閾值電壓漂移。圖4給出PT—IGBT(IRG4BC20F)在(1)柵已射極Gge=20V,Vce=OV(HTGB)和(2)Vge=0V,Vce=0.8V(HTRB)在140℃,經(jīng)過1200小時(shí)的應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果。由圖4中的HTGB曲線可見,柵偏置試驗(yàn)開始后100小時(shí)內(nèi),時(shí)線性增加,隨后趨于穩(wěn)定。
(3) 電可擦只讀存貯器(electrically erasable read-only memory,簡(jiǎn)稱EEROM)的存貯單元是氮化硅(Si3N4)—二氧化硅(SiO2)構(gòu)成的雙層絕緣柵的MOS管,它利用柵極注入電荷來改變ROM存貯單元的狀態(tài)。
(4) MOS是一種單極,多數(shù)載流子器件,按半導(dǎo)體器件理論,它的抗輻射,主要是抗γ射線的能力應(yīng)該比雙極、少數(shù)載流子器件強(qiáng),但是,實(shí)際情況剛相反。這說明MOS的絕緣柵結(jié)構(gòu)在輻射場(chǎng)下有較大的損傷和電荷交換。
(5) 以上4種情況說明,MOS閾值電壓漂移在電力電子的應(yīng)用條件,即高電壓(接近柵擊穿電壓)、大電流和高溫(接近pn結(jié)臨界溫度150℃)時(shí),是一種導(dǎo)致器件和電路失效的潛在參數(shù),似乎仍需系統(tǒng)考察和修訂老化條件。所以,將稱作是一種可能隱藏的失效模式。
[page]
4、 IGBT壽命期限內(nèi),有限次數(shù)短路脈沖沖擊的累積損傷失效
在壽命期限內(nèi),IGBT會(huì)遇到在短路、雪崩等惡劣條件下工作,它能承受短路脈沖沖擊的次數(shù)是有限的,并和相關(guān)條件有關(guān)。
4.1非穿通型(NPT)IGBT的魯棒性
NPT—IGBT的魯棒性見圖5,被測(cè)器件是SGW15N120。在540V 125℃時(shí)測(cè)試。X軸是耗散的能量。Y軸是器件直至損壞的短路周期次數(shù)。
由圖5可見,在給定條件下,器件有一個(gè)臨界能量: EC=V·I·TSC=1.95J(焦耳)
式中,TSC是短路持續(xù)時(shí)間,
當(dāng)E>EC時(shí),第一次短路就使器件失效。
當(dāng)E<EC時(shí),大約要經(jīng)歷104次短路以上,器件會(huì)因周期性的能量累積退化使它失效。
當(dāng)E=EC時(shí),器件失效模式不明確。當(dāng)能量等于或稍等于EC時(shí),器件關(guān)斷后,器件的拖尾電流,經(jīng)過一段延遲時(shí)間td f ,將導(dǎo)致熱擊穿。這段延緩性失效時(shí)間為微秒級(jí)。
圖6給出不同短路續(xù)時(shí)間TSC,IGBT測(cè)量的短路電流波形。
由圖6可以看出:
(1) 緊隨器件關(guān)斷后,初始拖尾電流電平(lio)直至失效的延遲時(shí)間是由能量決定的,或者說由器件關(guān)斷后的溫度決定的。能量越大,拖尾電流電平也越高,失效的延遲時(shí)間則越短。例如,圖中給出的最大能量是Tsc=60us,這時(shí),Tds趨向一個(gè)極小值。
(2) 當(dāng)Tsc=33us時(shí),屬于E<EC狀態(tài),不發(fā)生延遲失效。當(dāng)Tsc=35us,Tds=25us,開始出現(xiàn)熱擊穿。
4.2管殼溫度的影響
管殼溫度對(duì)臨界能量EC的影響最大,管殼溫度升高,EC就下降,測(cè)量SGW15N60的結(jié)果是:
溫度:25℃—>125℃; EC:0.81J—>0.62J
4.3集電極電壓的影響
集電極電壓升高,EC就下降:
VC:250V—>540V;EC:2.12J—>1.95J
[page]
4.4穿通型(PI)IGBT
PT—IGBT的短路失效特性和NPT—IGBT類似,但是,臨界能理值EC比NPT—IGBT低。例如:在125℃,短路電壓Vsc=400V時(shí):
600V PT—IGBT(IRGP20u):EC=0.37J
600V NPT—IGBT(SGW15N60):EC=0.62J
4.5結(jié)果
(1)每次短路周期耗散的能量E小于由被測(cè)電路電壓Vce、短路持續(xù)時(shí)間Tsc和管殼溫度決定的臨界能量Ec時(shí),IGBT可以連續(xù)承受104次以上短路沖擊才失效。
(2)在可比的條件下,當(dāng)E>EC時(shí),一次短路就失效。
(3)NPT—IGBT比PT—IGBT能承受較大的能量沖擊。
5、靜電放電保護(hù)用高壓NPN管的硅熔融
在失效的硅器件表面,常常觀察到硅熔融,而導(dǎo)致硅熔融的原因卻不只一個(gè)。例如:器件短路和開關(guān)時(shí)的瞬間大電流,正向工作區(qū)域或熱工作區(qū)出現(xiàn)二次擊穿損傷等到。因此要對(duì)靜電敏感的器件和電路的輸入/輸出(I/O)端增設(shè)靜電放電(ESD)保護(hù)裝置。而ESD保護(hù)裝置的器件的硅熔融,也是使被保護(hù)的器件和電路失效的原因之一。在本文引言中曾提到汽車應(yīng)用的器件,其中原因失效要退貨的數(shù)量中,有30%的失效與ESD有關(guān)。由于I/O端的規(guī)范不同,需要及時(shí)對(duì)器件和電路進(jìn)行再設(shè)計(jì)。同時(shí),為了減少試驗(yàn)成本,提高可靠性,需要采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)(TCAD)。
圖7是晶體管的正向擊穿特性,圖7中的VT·是器件的損傷點(diǎn),其定義有以下三種設(shè)定:
(1) 器件的漏泄電流大于某一臨界值即定為器件失效。但它忽略了硅熔融和氧化層的擊穿;
(2) 器件出現(xiàn)強(qiáng)烈電壓崩潰的二次擊穿時(shí)定為器件失效,但有時(shí)器件達(dá)到大電流范圍也不出現(xiàn)二次擊穿。
(3) 當(dāng)器件的載流子碰撞電離Gi等于肖克萊—里德—霍爾(Shockley—Read—Hall)復(fù)合率,同時(shí),總電流隨電壓反向增加時(shí)定為器件失效。
為了驗(yàn)證第(3)種假設(shè),予測(cè)二次擊穿管點(diǎn),用0.35um特征尺寸的功率集成電路工藝設(shè)計(jì)了ESD防護(hù)用的標(biāo)準(zhǔn)高壓NPN管,并將基極—發(fā)射極接地。
圖8是NPN管測(cè)量的和用(2)假定來模擬的I-V特性。由圖8可見,測(cè)量的損傷電流IT2=1.5A,而模擬值是1..8A,有較大誤差。
[page]
圖9是用(3)假設(shè)外推的結(jié)果。其模擬值是1.52A,相當(dāng)一致。
圖10是1A電流應(yīng)力下,模擬顯示該器件有兩個(gè)熱點(diǎn)。一個(gè)在收集極觸點(diǎn)下,損傷電流IT2=1.52A;另一個(gè)熱點(diǎn)在發(fā)射極之下,用外推法算出的損傷電流遠(yuǎn)大于2A。所以,首先出現(xiàn)導(dǎo)致失效的硅熔融點(diǎn)應(yīng)在收集極。
圖11是該器件失效照片。證明此結(jié)果。
本案例說明:(1)ESD防護(hù)器件的失效也是實(shí)際器件和電路失效的一種模式。(2)防護(hù)用的NPN管的損傷點(diǎn)可以用TCAD獲得。