IGBT及其子器件的四種失效模式比較分析

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%。

本文通過案例和實驗，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MOS和一個npnp四層結(jié)構(gòu)集成的器件。而MOS是金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管的簡稱。其中，氧化物通常是硅襯底上氧化而生成的SIO2，有時還迭加其他的氧化物層，例如Si3N4，Al2O3。通常設(shè)計這層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；60-90%時，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一個綽號：摸死管。

如果這種“摸死”問題不解決，我國第一臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的MOS集成電路微型計算機(jī)就不可能在1969年誕生。經(jīng)過一段時間的困惑，開始懷疑靜電放電的作用。為了驗證，準(zhǔn)備了10支柵極無任何防護(hù)的MOS管，用晶體管特性測試儀重新測試合格后，即時將該器件再往自己身上摩擦一下再測特性，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。該研究所內(nèi)接觸和應(yīng)用MOS管MOS-IC的同事，對靜電放電對器件的破壞性影響都有了深刻的體驗。

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：

（1）式中VSS=表面態(tài)閾值電壓，Vhh =本征閾值電壓，常數(shù)（費米勢），N=硅襯底雜質(zhì)濃度。

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。這就決定了溝增強(qiáng)型MOS管和P溝數(shù)字集成電路容易實現(xiàn)。

為了減小QSS和防止SiO2——Si界面電荷交換與移動，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。但是對于電力電子應(yīng)用的場合：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，例如上文所示接近100V時，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，=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小時的應(yīng)力試驗結(jié)果。由圖4中的HTGB曲線可見，柵偏置試驗開始后100小時內(nèi)，時線性增加，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，實際情況剛相反。這說明MOS的絕緣柵結(jié)構(gòu)在輻射場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，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。

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，被測器件是SGW15N120。在540V 125℃時測試。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，器件有一個臨界能量：

EC=V·I·TSC=1.95J（焦耳）

式中，TSC是短路持續(xù)時間

當(dāng)E》EC時，，第一次短路就使器件失效。

當(dāng)E

當(dāng)E=EC時，器件失效模式不明確。當(dāng)能量等于或稍等于EC時，器件關(guān)斷后，器件的拖尾電流，經(jīng)過一段延遲時間td f ，將導(dǎo)致熱擊穿。這段延緩性失效時間為微秒級。

圖6給出不同短路續(xù)時間TSC，IGBT測量的短路電流波形。

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，失效的延遲時間則越短。例如，圖中給出的最大能量是Tsc=60us，這時，Tds趨向一個極小值。

（2） 當(dāng)Tsc=33us時，屬于E

當(dāng)Tsc=35us，Tds=25us，開始出現(xiàn)熱擊穿。

4.2管殼溫度的影響

管殼溫度對臨界能量EC的影響最大，管殼溫度升高，EC就下降，測量SGW15N60的結(jié)果是：

溫度：25℃125℃

EC：0.81J0.62J

4.3集電極電壓的影響

集電極電壓升高，EC就下降：

VC：250V540V

EC：2.12J1.95J

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

Vsc=400V時：

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小于由被測電路電壓Vce、短路持續(xù)時間Tsc和管殼溫度決定的臨界能量Ec時，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，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。例如：器件短路和開關(guān)時的瞬間大電流，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，需要及時對器件和電路進(jìn)行再設(shè)計。同時，為了減少試驗成本，提高可靠性，需要采用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(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，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定為器件失效，但有時器件達(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，總電流隨電壓反向增加時定為器件失效。

為了驗證第（3）種假設(shè)，予測二次擊穿管點，用0.35um特征尺寸的功率集成電路工藝設(shè)計了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管測量的和用（2）假定來模擬的I-V特性。由圖8可見，測量的損傷電流IT2=1.5A，而模擬值是1..8A，有較大誤差。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熱點。一個在收集極觸點下，損傷電流IT2=1.52A；另一個熱點在發(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管的損傷點可以用TCAD獲得。