廣電計(jì)量|功率場(chǎng)效應(yīng)管過壓失效機(jī)理及典型特征分析

失效分析最常觀察到的現(xiàn)象是EOS過電失效，分為過壓失效及過流失效的兩種失效模式。對(duì)于以功率器件為代表的EOS過電失效樣品，其失效表征往往表現(xiàn)為芯片的大面積熔融，導(dǎo)致難以進(jìn)一步判定其失效模式。

本文以常規(guī)MOS、IGBT場(chǎng)效應(yīng)管為例，從芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和明確過壓擊穿容易出現(xiàn)的失效位置及機(jī)理解釋。

承壓結(jié)構(gòu)分析根據(jù)芯片結(jié)構(gòu)圖示，可見芯片關(guān)閉時(shí)，承受偏壓的結(jié)構(gòu)主要包括柵氧、PN交界面（橙色箭頭分布區(qū)域）。

不同承壓位置分析

元胞區(qū)柵氧與PN交界面耐壓分析分析

單個(gè)元胞，可見承壓主要由N-區(qū)耗盡層承擔(dān)。耗盡層的存在，使得電壓被均勻分擔(dān)到該面積區(qū)域內(nèi)。

實(shí)物芯片均由以上單個(gè)元胞（四方形、六角形、長(zhǎng)條形等）重復(fù)排列組成，因此只要相鄰P區(qū)足夠近，耐壓導(dǎo)致的耗盡層就會(huì)重疊，最終表現(xiàn)為整個(gè)元胞區(qū)耗盡層底面近似平面。耗盡層將柵氧、PN交界面包覆在內(nèi)，承壓主要由耗盡層實(shí)現(xiàn)。

元胞區(qū)平面結(jié)與終端柱形結(jié)耐壓分析

芯片最終耐壓考量轉(zhuǎn)化為元胞耗盡層平面（平面結(jié)）與終端耗盡層曲面（柱形結(jié)）耐壓能力的對(duì)比。

目前業(yè)內(nèi)針對(duì)耗盡層耐壓能力的研究，主要借助泊松方程推算，最終得到耐壓與曲率半徑、耗盡層寬度的關(guān)系式。由于耗盡層寬度遠(yuǎn)高于曲率半徑，因此算得柱形結(jié)耐壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于平面結(jié)。（Fundamentals of Power Semiconductor Devices. B. Jayant Baliga.P107~111）從常理也不難理解，側(cè)面P摻雜主要為向下?lián)诫s的副產(chǎn)物，其厚度及濃度均較低，對(duì)應(yīng)感應(yīng)產(chǎn)生的耗盡層抗壓能力會(huì)弱很多。

終端柱形結(jié)與球形結(jié)耐壓分析

擴(kuò)展到三維結(jié)構(gòu)，還需考慮P區(qū)摻雜兩個(gè)柱形結(jié)相交球形結(jié)。與柱形結(jié)同理，球形結(jié)位置對(duì)應(yīng)擊穿電壓會(huì)更低。并且無論單個(gè)元胞形狀如何設(shè)計(jì)（四方形、六角形、長(zhǎng)條型等），只要距離夠近其內(nèi)部摻雜區(qū)耗盡層均會(huì)重疊，最終均表現(xiàn)為最外圍球形結(jié)及耗盡層耐壓最差。

終端區(qū)場(chǎng)限環(huán)分析

針對(duì)此問題，業(yè)內(nèi)普遍選用場(chǎng)限環(huán)+場(chǎng)板的工藝結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步延伸終端耗盡層的分布區(qū)域，從而達(dá)到盡可能擴(kuò)大承壓面積的目的。因此場(chǎng)限環(huán)的寬度、間距、數(shù)量成為決定器件耐壓的主要影響因素，也是各家產(chǎn)品設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注方向。

總結(jié)

綜合以上分別對(duì)元胞區(qū)柵氧、PN交界面，耗盡區(qū)平面結(jié)、柱形結(jié)、球形結(jié)，終端區(qū)場(chǎng)限環(huán)的結(jié)構(gòu)、位置原理分析，可以明確芯片耐壓最脆弱位置往往表現(xiàn)在源區(qū)邊緣，特別是轉(zhuǎn)角位置。失效現(xiàn)象表現(xiàn)為較小面積的燒蝕黑點(diǎn)。

廣電計(jì)量服務(wù)能力

廣電計(jì)量在功率晶體管領(lǐng)域積累了豐富的失效機(jī)理及對(duì)應(yīng)失效表現(xiàn)分析經(jīng)驗(yàn)，包括但不限于：封裝失效類別及表現(xiàn)、電壓擊穿機(jī)理及表現(xiàn)、電流燒蝕機(jī)理及表現(xiàn)、柵氧缺陷機(jī)理及表現(xiàn)、動(dòng)態(tài)/靜態(tài)閂鎖機(jī)理及表現(xiàn)、雪崩擊穿機(jī)理及表現(xiàn)、二次擊穿機(jī)理及表現(xiàn)、輻照失效機(jī)理及表現(xiàn)，協(xié)助客戶從半導(dǎo)體基礎(chǔ)原理深入分析其失效機(jī)理。