功率VDMOS器件高溫直流應(yīng)力下退化及失效機(jī)理研究

石 磊,陳旭華

(1.上海第二工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,上海201209;2.安陽市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,安陽455000)

0 引言

垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(VDMOS)是一種重要的功率半導(dǎo)體器件,具有獨(dú)特的垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。對(duì)比傳統(tǒng)的雙極型晶體管,其具有低驅(qū)動(dòng)功率、高輸入阻抗、高開關(guān)速度、高線性跨導(dǎo)等優(yōu)點(diǎn),并且沒有雙極型晶體管的二次擊穿現(xiàn)象[1-5]。VDMOS問世以來即在各種大功率應(yīng)用場(chǎng)合發(fā)揮重要作用,特別是在汽車、高鐵、航空、航天等重要領(lǐng)域有著不可或缺的作用。VDMOS的失效和退化是關(guān)乎設(shè)備和人員安全的重要問題,特別是其常處于大功率、高環(huán)境溫度等嚴(yán)酷工作環(huán)境下,這對(duì)其可靠性提出了更高的要求。

國內(nèi)外主要研究VDMOS功率器件在溫度應(yīng)力、電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力下的退化失效過程和機(jī)理。單尼娜等[6]研究了直流和脈沖狀態(tài)下功率VDMOS器件的可靠性,得出了兩種狀態(tài)下失效敏感參數(shù)為跨導(dǎo)。Davidovic等[7]研究了器件在持續(xù)輻照和負(fù)偏壓溫度應(yīng)力下的變化,表明輻照和負(fù)偏壓應(yīng)力施加順序的不同帶來的不同影響。Wang等[8]研究了器件芯片漏極被外加薄膜施加應(yīng)力情況下的變化,得出隨著應(yīng)力提高其開態(tài)電阻隨之下降的結(jié)論。譚稀等[9]研究了器件漏電流、熱阻(RTH)與軟焊料空洞率關(guān)系,結(jié)果表明漏電流、RTH隨空洞率增長而變大。本文研究了器件在高溫應(yīng)力、直流應(yīng)力共同作用下的退化過程,對(duì)多項(xiàng)電學(xué)參數(shù)進(jìn)行了較為全面的測(cè)量,并進(jìn)行了RTH測(cè)量和微區(qū)分析,綜合多種手段分析其退化和失效機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方案

待測(cè)功率VDMOS樣品器件3支,采用國內(nèi)自主封裝的HRM7433D,分別為1、2、3號(hào)管。為得到器件在加速條件下的敏感參數(shù)退化規(guī)律,將器件置于高溫環(huán)境對(duì)其施加功率,進(jìn)行性能加速退化實(shí)驗(yàn),電應(yīng)力條件設(shè)置漏源電壓(UDS)為5 V,漏源電流(IDS)為2 A,溫度應(yīng)力條件為230℃。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由溫度控制系統(tǒng)和電應(yīng)力偏置系統(tǒng)兩大部分組成,圖1為實(shí)驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。將其固定于熱沉平臺(tái)上,對(duì)器件施加壓力。利用電熱板、溫控器、周波數(shù)調(diào)功模塊、PT100傳感器等設(shè)備搭建了溫控系統(tǒng),使熱沉溫度保持215.5℃,根據(jù)預(yù)先測(cè)出的器件RTH值,可計(jì)算出器件結(jié)溫和熱沉平臺(tái)溫差約為14.5℃,因此器件結(jié)溫保持在230℃左右。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental equipments

電應(yīng)力偏置系統(tǒng)由柵壓電路、漏源電壓電流監(jiān)測(cè)模塊、電源組成。調(diào)節(jié)電源電壓,使得UDS=5 V,柵壓電路提供可調(diào)節(jié)柵源電壓(UGS),調(diào)節(jié)UGS大小使IDS保持2 A。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,施加應(yīng)力一段時(shí)間后,將其從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)取下置于通風(fēng)處自然冷卻1 h以上,使其和室溫20℃保持一致,而后進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量后再將器件重新置于實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)其恢復(fù)施加電學(xué)和溫度應(yīng)力。最初96 h應(yīng)力階段,每施加24 h應(yīng)力進(jìn)行一次測(cè)量。之后將測(cè)量間隔延長,改為每96 h應(yīng)力進(jìn)行一次測(cè)量。在第1 152 h測(cè)試點(diǎn)后,3號(hào)管在實(shí)驗(yàn)中突然失效,因此測(cè)量數(shù)據(jù)截止到1 152 h。

2 測(cè)量結(jié)果與討論

2.1 電學(xué)參數(shù)退化

圖2所示為測(cè)量得到的柵極閾值電壓[UGS(th)]和應(yīng)力時(shí)間的關(guān)系,保持UDS=UGS,UGS(th)為IDS=250μA時(shí)的UGS值。由圖可知,隨著應(yīng)力時(shí)間增長,1、2、3號(hào)管的UGS(th)基本沒有變化。通常金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極是薄弱環(huán)節(jié),持續(xù)應(yīng)力作用下容易失效和退化,影響器件的柵極控制能力[10],導(dǎo)致UGS(th)產(chǎn)生漂移。圖2中UGS(th)的穩(wěn)定表明其柵控能力沒有變化。

圖3所示為施加正向偏壓下的柵極-源極漏電流(IGSS)和應(yīng)力時(shí)間關(guān)系圖,偏壓條件為UGS=20 V。當(dāng)柵極退化時(shí),其典型特征之一為柵源漏電流的增大,相比UGS(th)反映器件三端特性而言,IGSS為器件兩端特性,不受器件漏端影響[11],更準(zhǔn)確直接地反應(yīng)柵極的變化。圖3中IGSS保持穩(wěn)定,和圖2相吻合,說明器件柵極保持穩(wěn)定。

圖2 UGS(th)和應(yīng)力時(shí)間關(guān)系(UDS=UGS,IDS=250μA)Fig.2 Relationship between UGS(th)and stress time(UDS=UGS,IDS=250μA)

圖3 正向IGSS和應(yīng)力時(shí)間關(guān)系(UGS=20 V)Fig.3 Relation between forward IGSSand stress time(UGS=20 V)

為更充分地研究器件柵極的變化情況,對(duì)器件在反向偏壓下的IGSS也進(jìn)行了測(cè)量,偏壓條件為VGS=-20 V,圖4表明其反向偏壓下的漏電流同樣基本保持不變。鑒于柵氧化層和漏電流的高度相關(guān)性[12],圖3、4可以進(jìn)一步精確表明器件柵氧化層保持穩(wěn)定。

圖4 反向IGSS和應(yīng)力時(shí)間關(guān)系(UGS=-20 V)Fig.4 Relation between reverse IGSSand stress time(UGS=-20 V)

根據(jù)功率VDMOS器件的結(jié)構(gòu)原理,其靜態(tài)漏極-源極通態(tài)電阻RDS(on)包括：源極接觸及封裝電阻RS、源區(qū)電阻Rn+、溝道電阻Rch、積累層電阻Ra、JFET區(qū)電阻Rj、N-層電阻Repi、襯底電阻Rsub、漏極接觸及封裝電阻RD,各部分電阻分布如圖5所示[13-14]。其中源極電阻RS為器件半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之外的源極相關(guān)部分引入的電阻,由含引線在內(nèi)的源極封裝電阻Rcas(S)和源極歐姆接觸電阻Rcont(S)兩部分組成,即RS=Rcas(S)+Rcont(S)。類似地,漏極電阻RD由含引線在內(nèi)的漏極封裝電阻Rcas(D)和漏極歐姆接觸電阻Rcont(D)兩部分組成。圖6所示為器件的RDS(on)隨應(yīng)力時(shí)間變化關(guān)系,測(cè)量設(shè)置UGS=10 V,IDS=28 A。在起初672 h內(nèi)RDS(on)均保持穩(wěn)定,而在672～864 h內(nèi),各個(gè)器件RDS(on)陸續(xù)開始出現(xiàn)上升趨勢(shì)并保持至測(cè)量結(jié)束,值得注意的是3號(hào)管上升較快。但RDS(on)的增長源于器件電阻分布中哪一部分的變化仍需深入分析。

圖5 RDS(on)分布示意圖Fig.5 Diagram of the distribution of RDS(on)

圖6 RDS(on)和應(yīng)力時(shí)間關(guān)系(UGS=10 V,IDS=28 A)Fig.6 Relation between RDS(on)and stress time(VGS=10 V,IDS=28 A)

圖7所示為漏極-源極擊穿電壓(UDSS)的退化情況,UDSS即UGS=0 V,IDS=1 mA時(shí)的UDS值,其值整體趨勢(shì)保持不變。UDSS主要取決于外延層厚度、摻雜濃度等因素,特別是取決于外延層中漂移區(qū)的情況。但作為一個(gè)整體而言,UDSS也受器件其他部分影響,雖然其不是主要因素。從漏電流傳輸路徑來看,從漏極開始,自下而上依次經(jīng)過襯底N+區(qū)、外延層N-區(qū)、P區(qū)、源區(qū)N+區(qū),最終從源極引線流出。隨著應(yīng)力時(shí)間延長,UDSS總體不變,測(cè)量結(jié)果表明,該電流路徑上器件各部分狀態(tài)沒有變化。結(jié)合之前圖2～4對(duì)于柵極的分析結(jié)果,可判斷器件內(nèi)部各部分在應(yīng)力作用下均沒有發(fā)生變化。

圖7 UDSS和應(yīng)力時(shí)間關(guān)系(UGS=0 V,IDS=1 mA)Fig.7 Relation between UDSSand stress time(UGS=0 V,IDS=1 mA)

圖7得到的結(jié)果意味著圖6中RDS(on)的變化與器件內(nèi)部無關(guān)。因此RDS(on)的變化應(yīng)來自于器件半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以外的歐姆接觸以及包含引線在內(nèi)的封裝結(jié)構(gòu)的變化,即源于RS或RD的增大。正常情況下Rch、Ra、JFET區(qū)電阻Rj、N-層電阻Repi占據(jù)RDS(on)絕大部分。RD很小,近似可忽略;RS稍大,但相對(duì)于RDS(on)而言所占比例仍較小[13-14]。如果是RS或RD導(dǎo)致RDS(on)的顯著增大必然是有異常情況發(fā)生。

2.2 微區(qū)分析

3號(hào)管失效后,對(duì)其進(jìn)行了局部微區(qū)分析,得到封裝開帽后器件表面掃描電鏡圖片,如圖8所示。

圖8 器件損壞局部區(qū)域掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.8 The SEM image of damaged area of the device

可以看到源極引線已斷裂,即圖中箭頭所指位置,且源極所在的表層呈現(xiàn)明顯熱損壞跡象。引線斷裂處沒有鋒銳的斷面,斷面無規(guī)則但各處較圓潤,且斷裂后相接近的兩端大體形狀為圓頭,圖像表明應(yīng)是高溫下引線熔斷導(dǎo)致,和器件表層圖像的起泡鼓起相吻合。源極位置的高溫是由于源極封裝或源極歐姆接觸的退化導(dǎo)致RS升高,而RS升高導(dǎo)致源極部位溫度升高,溫度升高又促進(jìn)RS升高。在應(yīng)力期間,該熱電反饋?zhàn)饔冒l(fā)生,導(dǎo)致器件損壞。這一分析和圖6中漏源通態(tài)電阻的變化情況相符合,各器件RDS(on)普遍都有增大,而損壞的3號(hào)管尤為明顯。其源極相關(guān)部位退化情況最為嚴(yán)重,當(dāng)RS升高,RDS(on)大于某一臨界值時(shí),災(zāi)難性的熱電反饋?zhàn)罱K導(dǎo)致器件燒毀。

2.3 熱阻測(cè)試

在每個(gè)測(cè)量點(diǎn),除電學(xué)特性測(cè)量之外,本研究對(duì)器件的RTH進(jìn)行了測(cè)量。

根據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)No.51-1,半導(dǎo)體器件RTH定義為：

式中：TJ為器件溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的結(jié)溫;TR為參考點(diǎn)溫度;PH為器件的電功率即熱功率;TJ-TR為參考點(diǎn)與結(jié)的溫度之差,也就是工作時(shí)的結(jié)溫升ΔT。ΔT/PH就可以得到參考點(diǎn)和結(jié)之間的RTH,RTH定義為結(jié)對(duì)參考點(diǎn)。

本研究采用了電學(xué)法測(cè)量RTH。其測(cè)量原理是,半導(dǎo)體器件的結(jié)溫和電學(xué)參數(shù)之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系,如PN結(jié)、肖特基結(jié)的溫度和固定電流下的結(jié)電壓降呈線性關(guān)系,此類電學(xué)參數(shù)稱為溫敏參數(shù)。使用電學(xué)儀器測(cè)得溫敏參數(shù)的變化,即可得到器件的溫度變化[15]。

測(cè)量RTH時(shí),首先測(cè)量被測(cè)VDMOS器件寄生二極管PN結(jié)電壓和溫度的線性關(guān)系,得到溫度系數(shù)曲線。而后將其放置于保持恒溫的熱沉(參考點(diǎn))上,利用特制夾具將器件固定并給以恒定向下壓力。對(duì)器件施加功率使其升溫,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后斷開功率,采集小測(cè)試電流下PN結(jié)電壓變化情況,結(jié)合溫度系數(shù)曲線得到其溫度,進(jìn)而計(jì)算出其結(jié)到熱沉之間RTH。施加功率仍采用UDS=5 V,IDS=2 A。圖9為不同應(yīng)力時(shí)間后結(jié)到熱沉的RTH測(cè)量結(jié)果,可以看到除少許測(cè)量值自然偏差引起的抖動(dòng)外,RTH值基本保持不變。

考慮到器件采用TO-254AA國產(chǎn)軍工級(jí)封裝,源極區(qū)域向上為絕熱性能良好的惰性氣體,因此施加功率后主要熱流傳輸路徑如圖10所示,器件內(nèi)部升溫后,熱量由上往下傳遞至漏極,經(jīng)焊料層、管殼,傳遞至最下端的熱沉,所測(cè)得RTH為該傳輸路徑上的RTH。在傳輸路徑上,器件內(nèi)部、漏極和焊料層結(jié)合處、焊料層、焊料層和管殼結(jié)合處、管殼到熱沉這些環(huán)節(jié)的任一變化都將導(dǎo)致RTH值的改變。如果器件內(nèi)部產(chǎn)生諸如孔洞裂紋或者漏極到焊料層之間結(jié)合情況變化,RTH會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。圖9所示測(cè)量結(jié)果證明了器件內(nèi)部沒有結(jié)構(gòu)變化,并且漏極到焊料層結(jié)合情況保持穩(wěn)定。此外,焊料層空洞是功率VDMOS器件常見的問題之一,對(duì)器件性能特別是RTH構(gòu)成直接影響[9],RTH測(cè)量結(jié)果表明了焊料層保持穩(wěn)定,其空洞情況沒有惡化,并且焊料層和管殼結(jié)合情況沒有變化。管殼到熱沉的壓力在測(cè)試期間保持恒定。

圖9 結(jié)到熱沉的RTH和應(yīng)力時(shí)間關(guān)系Fig.9 Relation between the junction-to-sink RTHand stress time

圖10 熱流傳輸路徑示意圖Fig.10 Diagram of heat transfer path

由于RTH保持穩(wěn)定,在傳輸路徑上的漏極承受的是相對(duì)穩(wěn)定的溫度應(yīng)力,而源極區(qū)域在器件表層,向上沒有有效傳熱途徑,一旦RS發(fā)生變化容易因熱量堆積造成溫度過高,2.2節(jié)中微區(qū)分析結(jié)果和此相吻合。

3 結(jié) 語

本文研究了功率VDMOS器件施加高溫直流應(yīng)力后的退化和失效情況,持續(xù)測(cè)量了其多項(xiàng)電學(xué)參數(shù)變化,并進(jìn)行了RTH測(cè)量。研究表明,其UGS(th)、IGSS、UDSS、器件 RTH均保持穩(wěn)定,表現(xiàn)出較高的可靠性,說明高溫直流應(yīng)力對(duì)器件的柵極、漏極、器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、焊料層、管殼影響均很小。與此同時(shí),RDS(on)隨應(yīng)力作用時(shí)間增大而增大。對(duì)損壞器件進(jìn)行微區(qū)分析,結(jié)合器件RTH變化情況,表明RDS(on)的增大是由于源極封裝或歐姆接觸部分退化導(dǎo)致RS增大所致,其直接誘發(fā)的源極區(qū)域高溫是器件損壞的原因。在此基礎(chǔ)上,今后工作可進(jìn)一步分析源極封裝和歐姆接觸各自的退化情況。從提高器件工作可靠性的角度而言,在工藝中設(shè)法增加歐姆接觸電導(dǎo)率、增加源極引線直徑都可以有效降低RS,更好地避免熱電反饋的產(chǎn)生。此外,如果能增加器件源極向上方的傳熱能力,也有助于避免源極部分的損壞。