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摘要:本文通过案例和实验,概述了四种IGBT及其子器件的失效模式:MOS栅击穿、IGBT-MOS阈值电压漂移、IGBT有限次连续短路脉冲冲击的积累损伤和静电保护用高压npn管的硅熔融。
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: k8 j4 ~: w" T# A1 W 关键词:栅击穿 阈值电压漂移 积累损伤 硅熔融9 f6 f7 y R' d5 q" J% y
; M3 E2 ?4 X/ J1、 引言% F. E) {( g% ^. l L- B d
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IGBT及其派生器件,例如:IGCT,是MOS和双极集成的混合型半导体功率器件。因此,IGBT的失效模式,既有其子器件MOS和双极的特有失效模式,还有混合型特有的失效模式。MOS是静电极敏感器件,因此,IGBT也是静电极敏感型器件,其子器件还应包括静电放电(SED)防护器件。据报道,失效的半导体器件中,由静电放电及相关原因引起的失效,占很大的比例。例如:汽车行业由于失效而要求退货的器件中,其中由静电放电引起的失效就占约30%。. Q& n% J6 ]( L( A* w3 M
本文通过案例和实验,概述IGBT及其子器件的四种失效模式:$ g9 i7 N, f; q4 \; @- I5 z
(1) MOS栅击穿;
) W7 c, g8 @9 O/ _(2) IGBT——MOS阈值电压漂移;) [8 ?; x& S4 x' y+ b K$ s
(3) IGBT寿命期内有限次连续短路脉冲冲击的累积损伤;
; U% X# K5 Z, d(4) 静电放电保护用高压npn管的硅熔融。
6 I+ ], {/ J3 n4 ~$ O# Q5 N1 Y2 e" e9 }
2、 MOS栅击穿/ H( ~3 e- `4 c. Z7 l/ v! N
' y J) l) y, v: ~+ X i# `( e
IGBT器件的剖面和等效电路见图1。
5 V0 p+ E8 g! x B, T9 ]( s由图1可见,IGBT是由一个MOS和一个npnp四层结构集成的器件。而MOS是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。其中,氧化物通常是硅衬底上氧化而生成的SIO2,有时还迭加其他的氧化物层,例如Si3N4,Al2O3。通常设计这层SiO2的厚度ts:
! Y* P) e6 e! V微电子系统:ts<1000A电力电子系统:ts≥1000A。) Z1 a6 J& z. X0 Q6 m% |
SiO2,介质的击穿电压是1×1019V/m。那么,MOS栅极的击穿电压是100V左右。
* L5 b7 Q& A5 Q3 d. Y人体产生的静电强度U:
* U. I1 {: }0 L+ [1 U% j1 t湿度:10-20%,U>18000V;60-90%时,U≥1500V。6 m4 o( | z. y* a& z/ G
上述数据表明,不附加静电保护的MOS管和MOS集成电路(IC),只要带静电的人体接触它,MOS的绝缘栅就一定被击穿。% t/ q9 G; ~1 f) E( @& ^; c
案例:上世纪六十年代后期,某研究所研制的MOS管和MOS集成电路。不管是安装在印刷电路板上还是存放在盒中的此种器件,都出现莫名其妙的失效。因此,给MOS一个绰号:摸死管。
2 D7 K2 [/ P; _" s: Z如果这种“摸死”问题不解决,我国第一台具有自主知识产权的MOS集成电路微型计算机就不可能在1969年诞生。经过一段时间的困惑,开始怀疑静电放电的作用。为了验证,准备了10支栅极无任何防护的MOS管,用晶体管特性测试仪重新测试合格后,即时将该器件再往自己身上摩擦一下再测特性,结果发现:100%栅击穿!随后,在MOS管的栅极一源极之间反并联一个二极管,问题就基本解决。意外的结果:“摸死管”成了一句引以为戒的警语。该研究所内接触和应用MOS管MOS-IC的同事,对静电放电对器件的破坏性影响都有了深刻的体验。- z5 L. b0 P L& P: H
3、 IGBT——MOS阈值电压漂移——一种可能隐藏的失效模式: p5 m( \7 q9 D! ?( z
MOS管的阈值电压Vth的方程式:4 C. r% E0 G: K& Z( t; @9 A3 N
(1)
3 h3 g5 h' H0 @1 m式中VSS=表面态阈值电压,Vhh =本征阈值电压,
' h6 T! Z5 s9 Z. I$ ?% r7 C" o常数4 `5 D! ]4 m2 X
(费米势),N=硅衬底杂质浓度。
p d ^4 Z, w( p, O h图2是栅电压VG和栅电容CO的C—V曲线,曲线上的箭头表时扫描方向。5 l/ y8 k; ~4 k5 {& c
由图2可见。C—V曲线是一条迟滞回路,该回路包络的面积等于表面态电荷,QSS是由Si—SiO2界面缺陷和正电荷离子引起的。而且,Si—SiO2界面的QSS始终是正的。即VSS总是向VITH正向移动。这就决定了沟增强型MOS管和P沟数字集成电路容易实现。* e3 X7 g% {: c3 t! q
为了减小QSS和防止SiO2——Si界面电荷交换与移动,引起阈值电压漂移,采取了许多措施:
. s& x6 e Q( i(1) 将<111>硅衬底换为<100>硅衬底,减小硅表面的非饱和键;
6 r) ~% @! d) |4 `+ a0 W8 O2 k$ C(2) 制备工艺中使用的石英器皿,气体和化学试剂均提升纯度级别,尽量减小Na离子的污染含量;" }1 K; p: }' j0 k& j( i3 n
(3) 研发新的绝缘栅介质系列:
* R; S1 _ I. ]( L·Si3N4——Si,Si3N4——SiO2——Si;
& z4 ` p9 h8 @+ y·Al2O3——Si,Al2O3——SiO2——Si。
- T/ D5 i! | N: [: I 以上措施,对低压微功耗的微电子的应用,已证明MOS与MOSIC是可靠的。但是对于电力电子应用的场合:高电压,大电流和工作温度范围较宽。特别是,静电放电电压接近栅极击穿电压而又未穿栅极时,例如上文所示接近100V时,仍有隐忧:2 X7 B/ w- A8 e/ ~/ R
(1) 较高栅电压下,阈值电压漂移较大,图3示出P沟硅栅MOS在高栅电压下的。由图3可见,栅电压VG=40V时,=4V。+ f3 y: I! I9 j# {
(2) PT—IGBT在高温栅偏压下阈值电压漂移。图4给出PT—IGBT(IRG4BC20F)在(1)栅已射极Gge=20V,Vce=OV(HTGB)和(2)Vge=0V,Vce=0.8V(HTRB)在140℃,经过1200小时的应力试验结果。由图4中的HTGB曲线可见,栅偏置试验开始后100小时内,时线性增加,随后趋于稳定。+ e) y$ n# _: l, h; r3 Z8 B2 D
(3) 电可擦只读存贮器(electrically erasable read-only memory,简称EEROM)的存贮单元是氮化硅(Si3N4)—二氧化硅(SiO2)构成的双层绝缘栅的MOS管,它利用栅极注入电荷来改变ROM存贮单元的状态。8 W( H T, V4 r
(4) MOS是一种单极,多数载流子器件,按半导体器件理论,它的抗辐射,主要是抗γ射线的能力应该比双极、少数载流子器件强,但是,实际情况刚相反。这说明MOS的绝缘栅结构在辐射场下有较大的损伤和电荷交换。
! U% U3 a5 @6 X/ ?1 B& t. `(5) 以上4种情况说明,MOS阈值电压漂移在电力电子的应用条件,即高电压(接近栅击穿电压)、大电流和高温(接近pn结临界温度150℃)时,是一种导致器件和电路失效的潜在参数,似乎仍需系统考察和修订老化条件。所以,将称作是一种可能隐藏的失效模式。
( k' ^! }) `( t6 ~. }/ n( Q8 H, e) t. ?' v( a. `5 L
4、 IGBT寿命期限内,有限次数短路脉冲冲击的累积损伤失效$ i o2 Z5 w; m+ q
3 G2 _+ K; a8 _% P9 Z8 Q5 s2 b 在寿命期限内,IGBT会遇到在短路、雪崩等恶劣条件下工作,它能承受短路脉冲冲击的次数是有限的,并和相关条件有关。$ @2 i9 B4 [9 P
9 ~& }0 N0 \: C' B7 ?5 ^
4.1非穿通型(NPT)IGBT的鲁棒性
8 h9 x5 O$ S. u! B0 M& b) x% W# m1 @6 _& ?. ?1 I' ]8 `( x5 L& h- V
NPT—IGBT的鲁棒性见图5,被测器件是SGW15N120。在540V 125℃时测试。X轴是耗散的能量。Y轴是器件直至损坏的短路周期次数。
. u( D0 m6 a3 g8 j由图5可见,在给定条件下,器件有一个临界能量:' n$ H( _( q. c7 k" c& Z
EC=V·I·TSC=1.95J(焦耳)$ q4 ]5 P2 S6 |5 L* Q0 I4 ^
式中,TSC是短路持续时间
% a! v9 H( j, \9 s当E>EC时,,第一次短路就使器件失效。/ x+ T) b9 l1 x4 F
当E<EC时,大约要经历104次短路以上,器件会因周期性的能量累积退化使它失效。& V) ~; O7 ^+ L& {3 I$ y, G: b" e
当E=EC时,器件失效模式不明确。当能量等于或稍等于EC时,器件关断后,器件的拖尾电流,经过一段延迟时间td f ,将导致热击穿。这段延缓性失效时间为微秒级。
- M* j, E- Q8 T/ x$ S) T
" G* a/ k/ s/ f0 k" a9 |, W9 f* ^图6给出不同短路续时间TSC,IGBT测量的短路电流波形。
! p" b t% Y$ P& x由图6可以看出:' [" N# r; }1 Y5 q
(1) 紧随器件关断后,初始拖尾电流电平(lio)直至失效的延迟时间是由能量决定的,或者说由器件关断后的温度决定的。能量越大,拖尾电流电平也越高,失效的延迟时间则越短。例如,图中给出的最大能量是Tsc=60us,这时,Tds趋向一个极小值。
1 Y- v+ z5 F/ i& R! k, B! t% N7 }7 G(2) 当Tsc=33us时,属于E<EC状态,不发生延迟失效。9 N" @( d8 y% H8 r
当Tsc=35us,Tds=25us,开始出现热击穿。
2 O+ e; c8 @8 @6 ?$ C) V6 p4.2管壳温度的影响
& I7 [1 s C J+ u5 s1 G- S M管壳温度对临界能量EC的影响最大,管壳温度升高,EC就下降,测量SGW15N60的结果是:
& B- a9 ~% u W温度:25℃125℃7 h3 @3 v" M o. ~0 B5 ^/ r$ B
EC:0.81J0.62J' B; m5 a1 [7 K( ]
4.3集电极电压的影响
( d+ e' O# c' ~! c" s+ p- }集电极电压升高,EC就下降:
+ H, D b" @$ j9 \VC:250V540V @ x8 r- K4 F' _7 H
EC:2.12J1.95J
$ ]$ }3 c1 @ m, I, Z5 ^+ p$ z4.4穿通型(PI)IGBT: d% y- E+ d% T% Y1 t- m
PT—IGBT的短路失效特性和NPT—IGBT类似,但是,临界能理值EC比NPT—IGBT低。例如:在125℃,短路电压Vsc=400V时:
& `& L( X r2 D 600V PT—IGBT(IRGP20u):EC=0.37J
$ ]7 M7 K3 d6 u2 m600V NPT—IGBT(SGW15N60):EC=0.62J
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: N# U4 s- W% F1 T/ a$ D4.5结果
6 \ E# v+ Z0 I$ \8 x6 R" V2 \. Z% Q1 b" E* {
(1)每次短路周期耗散的能量E小于由被测电路电压Vce、短路持续时间Tsc和管壳温度决定的临界能量Ec时,IGBT可以连续承受104次以上短路冲击才失效。. e" q4 B0 t9 R$ O5 o' F# [% h3 I
(2)在可比的条件下,当E>EC时,一次短路就失效。/ n; r) q# U$ y, a4 a
(3)NPT—IGBT比PT—IGBT能承受较大的能量冲击。) K( s6 R: A+ ~* @7 D
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5、静电放电保护用高压NPN管的硅熔融
) b* b+ i: s- ]. l- t, t. {3 I! f) ?, S9 V L
在失效的硅器件表面,常常观察到硅熔融,而导致硅熔融的原因却不只一个。例如:器件短路和开关时的瞬间大电流,正向工作区域或热工作区出现二次击穿损伤等到。因此要对静电敏感的器件和电路的输入/输出(I/O)端增设静电放电(ESD)保护装置。而ESD保护装置的器件的硅熔融,也是使被保护的器件和电路失效的原因之一。在本文引言中曾提到汽车应用的器件,其中原因失效要退货的数量中,有30%的失效与ESD有关。由于I/O端的规范不同,需要及时对器件和电路进行再设计。同时,为了减少试验成本,提高可靠性,需要采用计算机辅助设计技术(TCAD)。" e: h' Z1 }) S$ H' t
图7是晶体管的正向击穿特性,图7中的VT·是器件的损伤点,其定义有以下三种设定:
# r( c) Y+ X- V) f(1)器件的漏泄电流大于某一临界值即定为器件失效。但它忽略了硅熔融和氧化层的击穿;
w o: J, L( R0 e' ?+ n5 b$ p(2)器件出现强烈电压崩溃的二次击穿时定为器件失效,但有时器件达到大电流范围也不出现二次击穿。0 I: C/ x+ z9 K7 N( }
(3)当器件的载流子碰撞电离Gi等于肖克莱—里德—霍尔(Shockley—Read—Hall)复合率,同时,总电流随电压反向增加时定为器件失效。
+ W7 r0 A% m2 P
( g8 |# N0 e2 r 为了验证第(3)种假设,予测二次击穿管点,用0.35um特征尺寸的功率集成电路工艺设计了ESD防护用的标准高压NPN管,并将基极—发射极接地。# {1 s+ b2 i. H8 V
5 m0 C4 Y% m, U. o* O: ~ 图8是NPN管测量的和用(2)假定来模拟的I-V特性。由图8可见,测量的损伤电流IT2=1.5A,而模拟值是1..8A,有较大误差。图9是用(3)假设外推的结果。其模拟值是1.52A,相当一致。
, _- x5 _) _1 @$ m 图10是1A电流应力下,模拟显示该器件有两个热点。一个在收集极触点下,损伤电流IT2=1.52A;另一个热点在发射极之下,用外推法算出的损伤电流远大于2A。所以,首先出现导致失效的硅熔融点应在收集极。图11是该器件失效照片。证明此结果。
- S! R+ W+ C4 i$ r+ l: @1 c! G3 M3 l
- q4 y$ n5 k# G7 ` 本案例说明:(1)ESD防护器件的失效也是实际器件和电路失效的一种模式。(2)防护用的NPN管的损伤点可以用TCAD获得。! Z5 d; o" k. F, w& q8 F7 ^0 J6 l5 \
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