IGBT的几种失效模式

IGBT及其子器件的几种失效模式摘要：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。% & v9 z$ c ?8 q4 n% X8 g% Y& _; T1 f) n Q# Mt/ n |6 Y9 P2 E1、引言$ H: . V5 O _. E) T3 IIGBT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%。1 o9 Q1 q; p, 4 qi. o+ A5 SG: q. w. 本文通过案例和实验，概述IGBT及其子器件的四种失效模式：5 U3 s. ?; Y i2 ( g- h. T（1） MOS栅击穿；1 R: H& v; ) K7 0 s+ r- q（2） IGBTMOS阈值电压漂移；# L3 h. l7 j4 |! F|（3） IGBT寿命期内有限次连续短路脉冲冲击的累积损伤；4 R& I, x9 : G3 （4） 静电放电保护用高压npn管的硅熔融。/ t# s0 n) ?3 G w+ d$ E. k2 S6 w( Z# S3 O9 D& q e* Q2、MOS栅击穿: ?I% |3 8 _! S5 E: ?$ 1 M/ I kV8 m T/ FIGBT器件的剖面和等效电路见图1。/ e6 R+ x T/ m! _& G# s8 E# B; X# D8 rr/ V( C2 M; K7 v c 2011-7-20 16:22:13 上传下载附件 (13.1 KB) . ! |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：& F; q; c8 u. ; v( G( _8 * h6 m% N: P微电子系统：ts1000A9 M$ D4 W# N- R4 _, h! r电力电子系统：ts1000A。0 A# m5 O: u: S; t: U( M! _; A5 k( , o$ G! V5 L2 xSiO2 介质的击穿电压是11019V/m。那么，MOS栅极的击穿电压是100V左右。7 n4 w, y4 x t B5 i, e+ . ?) D, a6 c; # l) 人体产生的静电强度U： Q9 N( e, C$ X4 Dr9 d1 B湿度：10-20%，U18000V；60-90%时，U1500V。; P4 L! q4 P$ ZN3 C|1 A, z! b9 z4 z/ N3 L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。5 i0 d& m4 U* W t# o9 q7 M1 P8 Z( A) z) D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。/ U( i. W4 |8 _! y! u% - K3 d9 o) R; d7 i, T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。M( u. o# g- h0 Z* P6 s- f6 Y: x0 B/ a: 3、IGBTMOS阈值电压漂移一种可能隐藏的失效模式% W6 A8 b4 j: f5 y# v% s$ e! z9 A1 C# B0 v- M$ q* D9 tMOS管的阈值电压Vth的方程式： x5 e3 |# U8 i% b( x _( n （1）2011-7-20 16:22:13 上传下载附件 (368 Bytes) - z Q% 7 % R2 k; l3 r e式中VSS=表面态阈值电压，Vhh =本征阈值电压，& t5 H9 N; P v A7 B; w( j9 o) t常数/ J0 c3 J0 I+ M6 _/ L( J# D% I2011-7-20 16:22:13 上传下载附件 (351 Bytes) (费米势)，N=硅衬底杂质浓度。2011-7-20 16:22:13 上传下载附件 (162 Bytes) / p* n1 z$ o0 V6 # T0 y0 s7图2是栅电压VG和栅电容CO的CV曲线，曲线上的箭头表时扫描方向。. H, D2011-7-20 16:22:13 上传下载附件 (8.21 KB) 由图2可见。CV曲线是一条迟滞回路，该回路包络的面积等于表面态电荷2011-7-20 16:22:13 上传下载附件 (180 Bytes) ，QSS是由SiSiO2界面缺陷和正电荷离子引起的。而且，SiSiO2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。/ Q/ D/ m1 D, J( x: w$ m5 J7 5 z9 |& B2 m为了减小QSS和防止SiO2Si界面电荷交换与移动，引起阈值电压漂移 2011-7-20 16:22:13 上传下载附件 (129 Bytes) ，采取了许多措施：, V3 b* 6 1 I, L. S( P3 z0 d（1）将硅衬底换为硅衬底，减小硅表面的非饱和键；. G7 SE7 f0 A! L# a3 k（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；& J, ?7 r5 q9 t8 y: W（3）研发新的绝缘栅介质系列：Si3N4SiSi3N4SiO2Si； Al2O3Si；Al2O3SiO2Si。 E; w/ i4 F: b# ; u7 P, _! h: U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：（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。6 t% v4 Y. z- Y+ f7 ?9 s2011-7-20 16:22:13 上传下载附件 (13.06 KB) ( S* q& L3 a0 W S! ! D9 M4 V/ a! h! y8 S4 Q0 F（2）PTIGBT在高温栅偏压下阈值电压漂移。图4给出PTIGBT（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。+ u( DF8 F- N- _) z 2011-7-20 16:22:13 上传下载附件 (15.95 KB) % N# （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。) K+ u& b5 vM( D( L# D, * F: C（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。$ B6 0 Q* |+ x6 4 9 k0 v! 7 c% W7 r6 （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。1 U. C2 w: N! c5 ) K5 T/ d( F l/ B4 L0 F; % i9 H) L4、IGBT寿命期限内，有限次数短路脉冲冲击的累积损伤失效 ! # I 9 N8 J5 R* Uj3 D$ i% E# r$ x1 A. v7 P 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。?& v! t4 UF* _- C! d& n8 5 X2 j& y! y l7 D: d4 D4.1非穿通型（NPT）IGBT的鲁棒性NPTIGBT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。( S& p/ k% ) o; V9 w- Y 2011-7-20 16:22:13 上传下载附件 (19.29 KB) 4 |; E% n! T/ h: I9 k- H由图5可见，在给定条件下，器件有一个临界能量：EC=VITSC=1.95J（焦耳）& w$ s4 k+ / D2 h8 M, 式中，TSC是短路持续时间! G4 E) q4 a8 Y# k- v3 X当EEC时，第一次短路就使器件失效。! Z$ I+ G( 2 r+ H$ T& e% b4 当Eec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。0 e S$ F6 K: |1 E( i8 I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。图6给出不同短路续时间TSC，IGBT测量的短路电流波形。; 8 3 L! s7 a8 v 2011-7-20 16:22:13 上传下载附件 (23.25 KB) $ ) N; 5 U g& N1 f6 _0 f% M+ b$ n, k由图6可以看出： （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。2 P/ H/ Y- 9 o3 h（2）当Tsc=33us时，属于EEC时，一次短路就失效。2 q( Q% X; qX# td（3）NPTIGBT比PTIGBT能承受较大的能量冲击。$ x3 p/ z* * _1 O6 _/ D& w # f& d3 Y% ; c5、静电放电保护用高压NPN管的硅熔融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）。 2011-7-20 16:22:13 上传下载附件 (9.55 KB) ) T k U3 j3 b4 ?3 U- w# n i Q( ?6 * v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：9 E, d1 u+ l% C（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；! x_3 Q: p* C4 R : v（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。. Z& ?! l+ X& X5 $ r* H! n（3）当器件的载流子碰撞电离Gi等于肖克莱里德霍尔（ShockleyReadHall）复合率，同时，总电流随电压反向增加时定为器件失效。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。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。