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[導(dǎo)讀]0 引言  垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散場(chǎng)(VDMOS)效應(yīng)晶體管是新一代集成化半導(dǎo)體電力器件的代表[1]。與功率晶體管相比,具有輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性高、開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)電流小、動(dòng)態(tài)損耗小、失真小等優(yōu)點(diǎn)。因此VDMOS廣泛應(yīng)用在

0 引言

  垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散場(chǎng)(VDMOS)效應(yīng)晶體管是新一代集成化半導(dǎo)體電力器件的代表[1]。與功率晶體管相比,具有輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性高、開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)電流小、動(dòng)態(tài)損耗小、失真小等優(yōu)點(diǎn)。因此VDMOS廣泛應(yīng)用在電機(jī)調(diào)速、工業(yè)控制、汽車電器等領(lǐng)域。但功率VDMOS的高壓大電流的工作條件使得其功耗及自熱效應(yīng)相當(dāng)明顯,而溫度的升高又必然會(huì)加速微電子器件的退化機(jī)理[2-3],對(duì)其可靠性造成嚴(yán)重影響甚至引起失效,且器件的失效必然會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作,帶來的損失不可估量。因此對(duì)功率VDMOS進(jìn)行可靠性及失效分析顯得尤為重要,國外對(duì)功率VDMOS的可靠性[4]進(jìn)行了初步分析,國內(nèi)也已經(jīng)對(duì)GaAs微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管[5-6]進(jìn)行了研究,但對(duì)功率VDMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的可靠性研究特別是其完整的可靠性數(shù)據(jù)和失效機(jī)理的研究還比較少。本文采用恒定溫度應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)對(duì)功率VDMOS的可靠性進(jìn)行了研究,得到較為完整的可靠性數(shù)據(jù),并分析得到引起其漏源電流IDS退化的主要失效機(jī)理是柵極擊穿,從而為功率VDMOS類型器件的加工制造及應(yīng)用等方面提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

  1 理論

  電子器件在正常工作狀態(tài)下,很難在短時(shí)間內(nèi)得到有價(jià)值的壽命數(shù)據(jù)。本文采用恒定應(yīng)力加速壽命實(shí)驗(yàn),通過施加溫度應(yīng)力,加速了元器件的參數(shù)退化,縮短了壽命,在短時(shí)間內(nèi)得到必要的壽命數(shù)據(jù)。

  以溫度為加速應(yīng)力的恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)多采用Arrhenius模型。該模型的阿列尼斯經(jīng)驗(yàn)公式可以反映電子元器件壽命與溫度之間的物理化學(xué)變化過程,即

  式中:A為常數(shù);k為玻爾茲曼常數(shù);E為激活能;T為絕對(duì)溫度;t為時(shí)間。

  從式(1)中可以看出,壽命的對(duì)數(shù)與絕對(duì)溫度的倒數(shù)之間滿足直線方程,因此通過施加幾組溫度應(yīng)力得到元器件在這幾個(gè)溫度點(diǎn)上的壽命后,利用這一關(guān)系外推出表征元器件失效機(jī)理的激活能E和正常溫度下的元器件壽命。

  若試驗(yàn)中采取不同的溫度應(yīng)力T1、T2,其他條件不變,要產(chǎn)生相同的退化量,所需時(shí)間分別為t1、t2,其比即為溫度加速因子τ,則

  2 結(jié)溫的確定及試驗(yàn)

  2.1 結(jié)溫的確定

  樣管在室溫(27℃)下的結(jié)殼熱阻RJC=1.7℃/W(廠家提供)。樣管偏置條件為VDS=7.5V、IDS=0.8A時(shí),其在室溫(27℃)下的殼溫TC=107℃,由式(3)可得室溫下TJ=117℃,即

  式中:TJ為結(jié)溫;RJC為結(jié)殼熱阻;P為功率;Tc為殼溫。

  由熱阻定義,利用室溫下的數(shù)據(jù),可以計(jì)算得到Rc-a=13.3℃/W,因此ΔTc-a=80℃,故環(huán)境溫度為150、165、180℃時(shí)樣管殼溫分別為230、245、260℃,利用式(3)即可得到其對(duì)應(yīng)結(jié)溫分別為TJ150℃=240℃、TJ165℃=255℃、TJ180℃=270℃。

  2.2 試驗(yàn)

  試驗(yàn)器件為TO-3封裝的n溝道功率VDMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。試驗(yàn)分三組進(jìn)行,每組試驗(yàn)樣品數(shù)均為6只,施加溫度分別為150、165、180℃(對(duì)應(yīng)結(jié)溫分別為240、255、270℃),試驗(yàn)時(shí)間分別為1058、920、690h,偏置條件為VDS=7.5V、IDS=0.8A;試驗(yàn)前均對(duì)VDMOS場(chǎng)應(yīng)晶體管特性(導(dǎo)通電阻、輸出特性、轉(zhuǎn)移特性)進(jìn)行初測(cè),測(cè)試周期為46h;失效判據(jù)為ΔIDS>初始值20%、ΔRDS>初始值20%、ΔIDSR>初始值20%,以大者為準(zhǔn)。

  3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

  3.1 參數(shù)退化

  試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)功率VDMOS的導(dǎo)通電阻、漏源電流、截止漏電流均發(fā)生退化,其結(jié)果見表1~3所示。

  由表1~3所示結(jié)果,可以得出IDS退化是功率VDMOS的主要失效模式,因此以IDS的退化作為失效判據(jù)。

  3.2 試驗(yàn)結(jié)果

  失效樣管(以3#為例)試驗(yàn)前后輸出特性曲線對(duì)比如圖1所示,溫度應(yīng)力為150℃,柵源電壓為4.2~4.8V時(shí),試驗(yàn)后(圖中細(xì)線)樣管漏源電流較試驗(yàn)前(圖中圓點(diǎn)粗線)有明顯降低,說明柵極控制能力減弱,柵極可能發(fā)生累積失效。

  圖2為試驗(yàn)中漏源電流IDS退化圖(3#、7#、15#為例),其偏置均為VDS=10.1V、VGS=4.8V??梢钥闯鲈谌M溫度應(yīng)力作用下,漏源電流IDS均出現(xiàn)不同程度的下降,且隨著應(yīng)力的增大,下降幅度增加,溫度應(yīng)力加速器件參數(shù)退化,與阿列尼斯方程符合較好。

  本試驗(yàn)的失效分布圖如圖3所示,由圖看出本試驗(yàn)在三組溫度應(yīng)力下,樣管的失效分布呈三條相互平行的直線,說明在該試驗(yàn)中樣管的失效機(jī)理是一致的,且由圖可知較高的溫度應(yīng)力可以更快地加速參數(shù)退化,器件達(dá)到失效所需時(shí)間更短。此結(jié)果與恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)理論相符,說明本試驗(yàn)是一個(gè)比較成功的恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。

  3.3 數(shù)據(jù)分析

  本試驗(yàn)樣本容量小,故采用精度較高的“最好線性無偏差估計(jì)”(BLUE)法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。結(jié)果如下:①功率VDMOS在室溫下(結(jié)溫117℃)工作時(shí)的壽命特征值為3.67×106h;②功率VDMOS的主要失效模式是漏源電流的退化,其失效激活能E=0.54eV;③形狀參數(shù)m的加權(quán)平均值m=1.373;④加速系數(shù)τ:τ(240~117℃)≈47.9145,τ(255~117℃)≈67.8953,τ(270~117℃)≈94.3733。

 

  4 結(jié)果分析

  對(duì)三組試驗(yàn)中的失效樣管進(jìn)行結(jié)之間(pin-to-pin)電特性測(cè)試(第三端開路)。圖4、5所示分別為失效樣管(以3#為例)與未失效樣管(以5#為例)的柵源I-V特性及柵漏I-V特性比較。

  從失效樣管的柵源I-V特性及柵漏I-V特性可以判斷其柵極出現(xiàn)較大漏電流,說明柵極失去其絕緣能力,發(fā)生柵極累積失效。

  由VDMOS工作原理可得,柵極發(fā)生失效時(shí),其失去絕緣能力,因此當(dāng)p區(qū)反型形成溝道時(shí),部分電子通過已擊穿的柵極形成柵極漏電流,使得形成漏源電流的電子減少,造成漏源電流IDS降低。通過上述試驗(yàn)及理論分析可以確定漏源電流的下降是由柵極累積失效而引起的。進(jìn)一步的柵極失效原因正在研究中,其結(jié)果將在后續(xù)工作中給予介紹。

  5 結(jié)論

  對(duì)功率VDMOS在高溫環(huán)境下進(jìn)行恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)得到:

 ?、偈覝叵鹿ぷ鲿r(shí)(結(jié)溫117℃),其壽命特征值t=3.67×106h,失效激活能E=0.54eV,這些較為完整的可靠性數(shù)據(jù)為功率VDMOS類型器件在今后的生產(chǎn)和應(yīng)用中提供參考價(jià)值。

 ?、诤愣?strong>應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)中功率VDMOS的主要失效模式是漏源電流IDS的退化,其失效機(jī)理是柵極累積失效。

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