重金屬摻雜硅平面外延開(kāi)關(guān)三極管失效分析技術(shù)研究

曹德峰，張 穎，崔 帥，李志勇，胥佳靈，盧 健

（1.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203；2.中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201203；3.上海精密計(jì)量測(cè)試研究所，上海 201109）

重金屬摻雜硅平面外延開(kāi)關(guān)三極管失效分析技術(shù)研究

曹德峰1,2，張 穎3，崔 帥1,2，李志勇1,2，胥佳靈1,2，盧 健1,2

（1.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203；2.中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201203；3.上海精密計(jì)量測(cè)試研究所，上海 201109）

對(duì)航天某型號(hào)選用3DK104D型NPN硅外延平面小功率開(kāi)關(guān)三極管補(bǔ)充篩選試驗(yàn)中參數(shù)超差問(wèn)題進(jìn)行了分析，采用非破壞和破壞性分析相結(jié)合的技術(shù)，對(duì)硅基開(kāi)關(guān)晶體管的失效機(jī)理進(jìn)行了研究，最終得出參數(shù)超差屬批次性質(zhì)量問(wèn)題，予以剔除。

開(kāi)關(guān)三極管；摻雜工藝；航天型號(hào)工程；失效分析

引言

目前，第三代半導(dǎo)體材料已開(kāi)發(fā)并應(yīng)用。各類半導(dǎo)體材料均有其自身特點(diǎn)。第一代半導(dǎo)體材料主要是硅、鍺元素的半導(dǎo)體材料。第二代半導(dǎo)體材料主要是化合物半導(dǎo)體材料，如二元化合物砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)、磷化銦(InP)；三元化合物GaAs Al、GaAs P；固溶體半導(dǎo)體如Ge-Si、GaAs-GaP；還有玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。InP、GaAs等材料適合于適合制備高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件。第三代半導(dǎo)體材料主要是碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石為代表的禁帶半導(dǎo)體材料， SiC技術(shù)較為成熟、GaN技術(shù)次之。與第一、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體具有寬的禁帶寬度，高的擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率、高的電子飽和速率以及更高的抗輻射性能，更加適合于制備高溫、高頻、抗輻射以及大功率器件，通常被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度大于2.2 eV），也被稱為高溫半導(dǎo)體材料[1]。

上述三代半導(dǎo)體材料制備的器件，在航天型號(hào)工程均有應(yīng)用。其中，第二代、第三代產(chǎn)品由于其性能優(yōu)良，應(yīng)用逐漸增多。因航天型號(hào)工程產(chǎn)品自身特點(diǎn)，硅基半導(dǎo)體器件仍然有其應(yīng)用空間。航天型號(hào)產(chǎn)品功能完好且可靠性較高，需要各個(gè)方面綜合協(xié)調(diào)，需要各個(gè)方面相匹配。硅平面外延開(kāi)關(guān)三極管作為一種開(kāi)關(guān)管，由于某些型號(hào)單機(jī)中與其他元器件匹配性較好、兼容性較好，部分型號(hào)產(chǎn)品在原來(lái)應(yīng)用的基礎(chǔ)上繼續(xù)沿用。近年來(lái),硅器件性能逐漸成熟且穩(wěn)定,具有耐高溫、反向電流小以及能采用平面技術(shù)使表面鈍化,而得到穩(wěn)定可靠的性能[2]。外延技術(shù)與平面技術(shù)結(jié)合制成的平面外延管具有優(yōu)點(diǎn)較多,如飽和壓降小、反向擊穿電壓高、小電流增益大、開(kāi)關(guān)速度快和功率較大等。

航天型號(hào)工程的應(yīng)用中應(yīng)用硅平面外延開(kāi)關(guān)三極管，其產(chǎn)品可靠性對(duì)單機(jī)或系統(tǒng)有一定程度的影響。因而，本文針對(duì)重金屬摻雜NPN硅外延平面小功率開(kāi)關(guān)三極管失效問(wèn)題進(jìn)行研究，找出器件失效機(jī)理，判斷失效為個(gè)例還是批次性質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)型號(hào)產(chǎn)品可靠性具有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)型號(hào)元器件選型、應(yīng)用等方面具有一定的參考意義。

1 問(wèn)題概述

航天某型號(hào)選用3DK104D型NPN硅外延平面小功率開(kāi)關(guān)三極管，器件質(zhì)量等級(jí)SAST，共計(jì)241只。在補(bǔ)充篩選試驗(yàn)過(guò)程中，241只器件中發(fā)現(xiàn)6只晶體管ICEO參數(shù)超差。其中，5只失效環(huán)節(jié)是在高溫反偏試驗(yàn)后常溫測(cè)試，ICEO數(shù)值分別為2 000.6 nA、2 000.6 nA、2 000.6 nA、2 000.6 nA和1 612.7 nA（手冊(cè)要求VCE=30 V時(shí)，ICEO≤1 000 nA）；1只老煉后測(cè)試發(fā)現(xiàn)，ICEO數(shù)值為1 995.3 nA。補(bǔ)充篩后總批允許不合格率（PDA）為2.49 %，小于該型號(hào)PDA技術(shù)控制要求（該型號(hào)PDA要求為<5 %）。但懷疑該批次晶體管ICEO偏離規(guī)定值較大，懷疑該批次器件存在批次性質(zhì)量問(wèn)題，因而對(duì)該批次補(bǔ)充篩選參數(shù)超差器件進(jìn)行失效分析，并對(duì)篩選合格數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)分析，保證型號(hào)用元器件的可靠性。

圖1 開(kāi)關(guān)三極管失效分析方案示意圖

2 元器件失效分析

2.1 失效分析方案制訂

元器件失效分析遵循從非破壞到破壞的原則，了解元器件失效現(xiàn)象的前提下，合理制定分析方案。因型號(hào)工程本身具有不可維修性等特點(diǎn)，對(duì)元器件可靠性要求較高，且失效器件具備稀少甚至唯一的特點(diǎn)，失效分析方案需合理制定，能夠準(zhǔn)確找出失效原因，明確失效機(jī)理，分析元器件失效屬于個(gè)例還是批次性問(wèn)題。本NPN硅外延平面小功率開(kāi)關(guān)三極管失效分析方案如圖1所示。

2.2 失效分析

2.2.1 非破壞性檢查

依據(jù)GJB 128A-1997《半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)失效器件進(jìn)行外部目檢、顆粒碰撞噪聲檢測(cè)（PIND）試驗(yàn)和密封試驗(yàn)檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，試驗(yàn)結(jié)果均為合格。接著對(duì)補(bǔ)充篩選異常器件進(jìn)行電流間直流特性測(cè)試，利用B1505功率器件分析儀/曲線追蹤儀對(duì)失效品ICEO~VCE曲線進(jìn)行復(fù)測(cè)，并選取同批次良品進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果分別如圖2所示，初步認(rèn)為晶體管CE間反向漏電過(guò)大導(dǎo)致ICEO參數(shù)超差失效。

2.2.2 破壞性檢查

對(duì)失效器件開(kāi)帽并進(jìn)行內(nèi)部鍵合情況檢查，體式顯微鏡下獲得的晶體管內(nèi)部形貌如圖3 所示。樣品內(nèi)部鍵合完整，鍵合絲無(wú)燒毀或熔斷痕跡，芯片整體形貌如圖4所示，內(nèi)部目檢未見(jiàn)明顯異常。

2.2.3 問(wèn)題分析

查閱可靠性中心檢驗(yàn)記錄，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行補(bǔ)充篩選的其余235只樣品中，存在10只晶體管雖然篩選合格，但高溫反偏前、后參數(shù)變化過(guò)大，變化結(jié)果如表1所示。高溫反偏后測(cè)試合格，但老煉后測(cè)試不合格的33#晶體管，老煉后測(cè)試結(jié)果為794.2 nA，參數(shù)異常。選取篩選合格但高溫反偏后ICEO參數(shù)變化較大的四只晶體管，利用B1505功率器件分析儀/曲線追蹤儀對(duì)ICEO~VCE進(jìn)行測(cè)試，曲線如圖5所示。測(cè)試結(jié)果表明晶體管參數(shù)雖未超差，但特性變差，且曲線變化趨勢(shì)與已發(fā)生參數(shù)超差失效晶體管結(jié)果相似。

圖2 失效器件ICEO～VCE關(guān)系曲線

表1 高溫反偏前后未失效晶體管ICEO參數(shù)變化(nA)

圖3 失效器件內(nèi)部鍵合情況及整體形貌

圖4 失效器件內(nèi)部芯片形貌

圖5 高溫反偏前后部分未失效器件ICEO～VCE關(guān)系曲線

3 失效機(jī)理分析

3DK104D型NPN硅外延平面小功率開(kāi)關(guān)三極管，屬于高擊穿高速開(kāi)關(guān)晶體管，在器件制備過(guò)程中，存在一對(duì)矛盾條件：高擊穿要求外延層有較高的電阻率和厚度，而高速開(kāi)關(guān)則相反，要求盡量低的外延層電阻率和厚度。解決辦法為：①嚴(yán)格計(jì)算外延層電阻率和厚度；②摻入一定量的重金屬雜質(zhì)Pt提高開(kāi)關(guān)速度。但摻入Pt后會(huì)引起反向漏電流增大、少數(shù)產(chǎn)品擊穿參數(shù)變差，或是少數(shù)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)高溫反偏和功率老化試驗(yàn)后擊穿特性變差。在元器件補(bǔ)充篩選試驗(yàn)中，高溫反偏、功率老化的應(yīng)力，使產(chǎn)品在電應(yīng)力和熱應(yīng)力的的作用下，少數(shù)產(chǎn)品缺陷增大，導(dǎo)致反向漏電流增大。

4 結(jié)論

基于元器件失效機(jī)理，本論文中晶體管參數(shù)超差，實(shí)際為制備工藝過(guò)程中未能對(duì)外延層厚度和電阻率進(jìn)行合理控制，雖然PDA值符合要求，但屬于批次性質(zhì)量問(wèn)題，予以剔除，該批器件航天型號(hào)不予使用。

[1]黃潤(rùn)華,鈕應(yīng)喜,楊霏,等.碳化硅 MOSFET 柵氧化層可靠性研究[J]. 智能電網(wǎng), 2015,3(2):99-102.

[2]馬格林,張玉明,張義門,等.一種碳化硅外延層質(zhì)量評(píng)估新技術(shù)[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 38(6):43-49.

曹德峰，男，碩士研究生學(xué)歷，工程師，主要從事航天型號(hào)元器件失效分析。

Research on Failure Analysis of Switching Transistors Applied on Heavy Metal Doped Silicon Planar Epitaxial Technique

CAO De-feng1,2, ZHANG Ying3, CUI Shuai1,2, LI Zhi-yong1,2, XU Jia-ling1,2, LU Jian1,2
(1. Shanghai Engineering Center for Microsatellites, Shanghai 201203; 2. Key Laboratory for Micro Satellites, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203; 3. Shanghai Research Institute of Precision Measuring Physics, Shanghai 201109)

In this paper, the type of 3DK104D NPN silicon epitaxial planar power switch transistors is studied. The problem of out-of-tolerance parameter is analyzed which used both non-destructive and destructive techniques. The failure mechanism of silicon switching transistor were studied, the lot of transistors belong to batch quality problem and can’t be used in Space Project.

switching transistor; doping process; Space Project; failure analysis

V461

B

1004-7204（2017）03-0048-04