高頻硅PNP晶體管3CG120高溫失效機(jī)理研究

王立新，單尼娜，夏 洋，宋李梅，韓鄭生

（中國科學(xué)院 微電子研究所，北京 100029）

失效分析的目的是通過總結(jié)失效現(xiàn)象，分析失效模式，研究其失效原因和失效機(jī)理，為器件的可靠性設(shè)計，工藝改進(jìn)及可靠性增長提供有益的信息。

電子器件有時需要在宇宙空間中運行的衛(wèi)星、火箭等高溫、高輻射等極端條件下使用，條件非常惡劣，超出了正常使用溫度范圍。并且，隨著技術(shù)的進(jìn)步，對電子器件所要求的可靠壽命也越來越長。這就使得研究器件高溫特性和高溫下的退化特性，分析其高溫下的失效機(jī)理及失效原因，從而保證器件在各種溫度條件下正常工作具有重要意義。

文中使用溫度斜坡法[1-4]，對樣品硅PNP型晶體管3CG120進(jìn)行170～340℃溫度范圍內(nèi)序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗，得到樣品在不同溫度下電流增益、擊穿電壓、反向漏電流等電參數(shù)的退化規(guī)律。并通過對不同電參數(shù)退化規(guī)律的分析，初步分析在不同溫度范圍內(nèi)的樣品失效機(jī)理。

1 試 驗

為了研究樣品3CG120在高溫下的失效模式，失效機(jī)理等，文中對樣品3CG120進(jìn)行序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗，試驗條件及測試參數(shù)如表1所示。

表1 3CG120的序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗的試驗條件及測試參數(shù)Tab.1 Experiment conditions and test parameters of process stress accelerated life test

2 結(jié)果與分析

試驗的樣本量為3支，在Tj=170～340℃溫度范圍內(nèi)，試驗樣品372#、373#、374#表現(xiàn)出的退化規(guī)律比較一致。測試數(shù)據(jù)hFE如圖1所示。

如圖1，參數(shù) hFE的退化過程可分為 A、B、C、D 4段。各溫度段內(nèi)參數(shù)的退化規(guī)律如表2所示。

分析各參數(shù)的退化規(guī)律，直流增益hFE仍然是第一位的失效敏感參數(shù)，下面從理論上分析其退化機(jī)理，同時，參照其他參數(shù)的變化規(guī)律對其進(jìn)行分析。

圖1 序進(jìn)應(yīng)力下，3CG120的敏感參數(shù)hFE的退化曲線Fig.1 Degenerate curve of hFE under progress-stress condition

表2 3CG120各參數(shù)的退化規(guī)律Tab.2 Degradation laws of parameters of 3CG120

式中，IC、IB分別為收集極、基極電流。

根據(jù)半導(dǎo)體物理關(guān)于PN結(jié)的理論可知：PN結(jié)的正向電流由擴(kuò)散電流和復(fù)合電流Ire兩部分組成。當(dāng)晶體管工作在有源放大區(qū)時，發(fā)射結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)存在著凈復(fù)合，這股復(fù)合電流的表達(dá)式為：

式中：xm為發(fā)射結(jié)耗盡層厚度；AJ為發(fā)射結(jié)面積；VE為正向電壓。

由（2）式可知，復(fù)合電流Ire和耗盡區(qū)的體積 xmAJ成正比；由（1）式可知，直流增益與復(fù)合電流成反比。當(dāng)存在表面電場時，就會影響耗盡層總的體積，從而影響到發(fā)射結(jié)正向電流中復(fù)合電流的成分變化，進(jìn)而影響直流增益hFE的大小。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，pn結(jié)總的反向電流IR為：

式中 ，Igen，MJ為 結(jié) 耗盡 區(qū) 中形成 的產(chǎn)生電 流 ；Igen，F(xiàn)IJ為 柵 電極下的表面耗盡區(qū)產(chǎn)生電流；Igen，s為Si-SiO2界面陷阱引起的產(chǎn)生電流。

下面結(jié)合試驗情況對樣品的失效機(jī)理進(jìn)行分析。

第1段：175～240℃，在進(jìn)行序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗時，發(fā)射結(jié)通過正向大電流，由于基區(qū)濃度遠(yuǎn)小于發(fā)射區(qū)濃度，故正向電流主要由空穴組成。這些空穴通過發(fā)射結(jié)耗盡層時形成正的空間電荷，這種正空間電荷在發(fā)射結(jié)Si-SiO2界面形成的電場，將排斥SiO2層中的可動正離子趨向遠(yuǎn)離Si-SiO2界面。故可動正離子會被排斥到SiO2上表面，相當(dāng)于在SiO2上表面加一負(fù)電場VGBE，如圖2所示。試驗過程中的溫度上升會促使正離子的這種運動，而且時間愈長在正離子在SiO2上表面堆積愈多，也即相當(dāng)于VGBE愈大，這將使基區(qū)表面從堆積到耗盡。集電結(jié)也通過反向空穴大電流，在集電結(jié)耗盡層Si-SiO2界面形成相對于SiO2層的正向電場，排斥SiO2層中的可動正離子趨向遠(yuǎn)離Si-SiO2界面，使集電結(jié)基區(qū)表面逐漸耗盡，集電區(qū)表面逐漸堆積。

圖2 第一個溫度段（170～240℃）BE結(jié)剖面示意圖Fig.2 Profile of BE contact of first temperature range

隨著溫度的升高，發(fā)射結(jié)基區(qū)耗盡層逐漸擴(kuò)展，表面復(fù)合電流也逐漸增加，導(dǎo)致基極電流IB隨之增加。由公式（1）可得，hFE隨著試驗的進(jìn)行在第一個溫度段（170-240℃）逐漸下降如圖1所示。

而由于IEBO的測試條件是反向電壓2 V，2 V反壓造成的耗盡層寬度大于表面感應(yīng)耗盡層的寬度，故表面耗盡層的變化沒有影響到ICEO的大小，如圖3所示。而ICBO的測試條件是反向電壓10 V，由于集電結(jié)基區(qū)表面耗盡，集電區(qū)表面堆積，對漏電流影響不大，故ICBO在此溫度段變化也不大，如圖4所示。

圖3 序進(jìn)應(yīng)力下，3CG120的敏感參數(shù)ICEO的退化曲線Fig.3 Degradation curve of ICEO of 3CG120 under process stress

擊穿電壓BVCEO、BVCBO形成的耗盡層都大大超過試驗條件下產(chǎn)生表面耗盡層的寬度，故在本溫度段耗盡層的變化不能影響B(tài)VCEO、BVCBO，即二者在此溫度段變化不大，如圖5所示。

圖4 序進(jìn)應(yīng)力下，3CG120的敏感參數(shù)ICBO的退化曲線Fig.4 Degradation curve of ICBO of 3CG120 under process stress

圖5 序進(jìn)應(yīng)力下，3CG120的敏感參數(shù)BVBE的退化曲線Fig.5 Degradation curve of BVBE of 3CG120 under process stress

第2段：240～290℃，進(jìn)入第二段后，溫度達(dá)到240℃以上，結(jié)溫達(dá)到270℃以上，集電區(qū)摻雜密度為1 015。在此條件下，集電區(qū)產(chǎn)生本征激發(fā)，出現(xiàn)大量熱電子、空穴，在反向偏壓VBC及第一段積累形成的VGBC的作用下，BC結(jié)上方Si-SiO2界面發(fā)生熱空穴注入[5]，SiO2界面中空穴的積累，將導(dǎo)致集電區(qū)表面耗盡。而ICBO隨溫度上升指數(shù)增加[6]，同時由于集電區(qū)本征激發(fā)產(chǎn)生的大量電子及集電結(jié)耗盡層的增加，進(jìn)一步加大了ICBO。在試驗條件下，過大的ICBO大大超過了IB，造成大量電子在基區(qū)堆積，使基區(qū)電位下降，與發(fā)射區(qū)形成正向壓降，降低發(fā)射結(jié)勢壘，基區(qū)大量電子擴(kuò)散過發(fā)射結(jié)。此時，發(fā)射結(jié)電流不再主要由空穴組成，而由電子、空穴共同組成，即空穴在發(fā)射結(jié)Si-SiO2界面形成的電場被抵消。這就導(dǎo)致在高溫下，發(fā)射結(jié)SiO2層中的可動正離子將逐漸恢復(fù)正常分布，從而使第二段hFE恢復(fù)到正常值附近如圖1所示。

在此溫度段，發(fā)射結(jié)空穴注入，并在SiO2界面處形成堆積，使集電結(jié)基區(qū)表面耗盡層逐漸消失，集電區(qū)表面逐漸耗盡。由于集電結(jié)表面耗盡層的增大，由公式（3）可知，柵電極下的表面耗盡區(qū)產(chǎn)生電流Igen，F(xiàn)IJ和Si-SiO2界面陷阱引起的產(chǎn)生電流Igen，s都大大增加，從而導(dǎo)致了ICBO的大大增加，如圖4所示。

擊穿電壓BVCEO、BVCBO形成的耗盡層都大大超過試驗條件下產(chǎn)生表面耗盡層的寬度，故在本溫度段耗盡層的變化不能影響B(tài)VCEO、BVCBO，即二者在此溫度段變化不大。

第3段：290～340℃，隨著溫度繼續(xù)升高，BC結(jié)上方Si-SiO2界面熱空穴持續(xù)注入，在SiO2界面空穴繼續(xù)堆積，使集電區(qū)表面反型，如圖6所示。歐姆接觸的金屬Al離子開始融入發(fā)射結(jié)，造成結(jié)損傷，使hFE重新下降。

在這一試驗溫度段，漏電流ICBO和ICEO出現(xiàn)了圍繞初始值減小的現(xiàn)象，如圖3、圖4。分析認(rèn)為：BC結(jié)表面出現(xiàn)反型層，由于失掉了Si-SiO2界面處復(fù)合中心，所以反向電流變成了：IR=Igen，MJ+Igen，F(xiàn)IJ，所以反向電流相對于第二溫度段（240～290 ℃）的反向電流大大減小，但仍大于Igen，MJ。

圖6 第3個溫度段（290～340℃）結(jié)剖面示意圖Fig.6 Profile of contact of the third temperature range

第4段：340℃-，試驗溫度在340℃之后，直流增益hFE表現(xiàn)出迅速減小的現(xiàn)象。使得該電流驟增，造成發(fā)射結(jié)局部發(fā)生不可逆的損傷，直流增益hFE迅速減小。同時造成了漏電流IBEO迅速增大，而擊穿電壓BVBEO快速減小的退化現(xiàn)象，如圖5所示。

3 結(jié) 論

文中通過對硅PNP型晶體管3CG120進(jìn)行170～340℃溫度范圍內(nèi)序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗，對3CG120在不同溫度段的失效機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在170～240℃溫度段內(nèi)，樣品的失效機(jī)理是：發(fā)射結(jié)中通過的正電荷，排斥SiO2層中的可動正離子趨向遠(yuǎn)離Si-SiO2界面，這將使基區(qū)表面從堆積到耗盡，導(dǎo)致復(fù)合電流增大，而引起增益的下降。

而在240～290℃溫度段內(nèi)，集電區(qū)產(chǎn)生本征激發(fā)，出現(xiàn)大量熱電子、空穴，在反向偏壓VBC的作用下，BC結(jié)上方Si-SiO2界面發(fā)生熱空穴注入，導(dǎo)致增益改變；在290～340℃溫度段內(nèi)：BC結(jié)上方Si-SiO2界面熱空穴持續(xù)注入，在SiO2界面空穴繼續(xù)堆積，使集電區(qū)表面反型，導(dǎo)致增益的迅速下降。與室溫失效機(jī)理一致的范圍為：室溫至240℃。

[1]Pasco R W，Schwarz J A.Temperature-ramp resistance analysis to characterize electromigration[J].Solid-State Elec-tronics，1983，26（5）：445-452.

[2]NelsonWB.Acceleratedlifetesting-step-stressmodelsand data analysis[J].IEEE Trans，Reliability，1980，R-29（2）：103-108.

[3]LI Zhi-guo，SONG Zeng-chao，CHENG Yao-hai.A study on GaAs FET’s failure mechanism and experimental technology of rapid evaluation of reliability[J].Reliability Physics Symposium Proceedings.2003 IEEE International，2003:576-577.

[4]ZHANG Wan-rong，LI Zhi-guo，MU Fu-chen.A rapid evaluation method for degradation activation energy of n-GaAs ohmic contacts with and without TIN diffusion barrier layers[C]//Proceedings of 8 IPFA，2001：134-137.

[5]郭維廉.硅-二氧化硅界面物理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1989.

[6]高光渤，李學(xué)信.半導(dǎo)體器件可靠性物理[M].北京：科學(xué)出版社，1987.