IGBT及其子器件的几种失效模式

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:753

　　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。

　　关键词：栅击穿阈值电压漂移积累损伤硅熔融

1、引言

　　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%。

本文通过案例和实验，概述igbt及其子器件的四种失效模式：

（1） mos栅击穿；

（2） igbt——mos阈值电压漂移；

（3） igbt寿命期内有限次连续短路脉冲冲击的累积损伤；

（4）静电放电保护用高压npn管的硅熔融。

2、 mos栅击穿

igbt器件的剖面和等效电路见图1。

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：

微电子系统：ts<1000a电力电子系统：ts≥1000a。

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。

人体产生的静电强度u：

湿度：10-20%，u＞18000v；60-90%时，u≥1500v。

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。

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。

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。

3、 igbt——mos阈值电压漂移——一种可能隐藏的失效模式

mos管的阈值电压vth的方程式：

（1）

式中v_ss=表面态阈值电压，v_hh =本征阈值电压，

常数

(费米势)，n=硅衬底杂质浓度。

图2是栅电压v_g和栅电容c_o的c—v曲线，曲线上的箭头表时扫描方向。

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，q_ss是由si—sio₂界面缺陷和正电荷离子引起的。而且，si—sio₂界面的q_ss始终是正的。即v_ss总是向v_ith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。

为了减小q_ss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：

（1）将<111>硅衬底换为<100>硅衬底，减小硅表面的非饱和键；

（2）制备工艺中使用的石英器皿，气体和化学试剂