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1、第 5 卷第 1 期 东南大学研究生学报 Vol.5 No.1 2007 年 7 月 JOURNAL OF GRADUATE STUDENTS SOUTHEAST UNIVERSITY JUL. 2007 功率 VDMOS 器件的参数漂移与失效机理 张敏, 沈克强 （东南大学电子科学与工程学院,南京 210096） 摘 要： 功率 VDMOS 器件的工作条件通常恶劣，因此其可靠性研究格外重要。本文总结了目前众多 VDMOS 器件可靠性研究的结果，着重讨论了功率 VDMOS 在高温大电压的工作环境下，关键电学参数的漂移及其失效机理，击穿特性的异常和改善办法，同时对键合及金属化过程中引发的失效也做
2、了简单论述。 关键词： 功率 VDMOS； 可靠性； 参数漂移；失效机理 Power VDMOS Parameter Degradation and Failure Mechanisms Zhang Min, Shen Keqiang (Department of electronics Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096) Abstract: The reliability study of power VDMOS devices is much more important than classical
3、 integrated circuits due to the nominal functioning conditions that are usually severe. This paper had collected and summarized various key parameter degradations and failure mechanisms in existence with an emphasis put on the effects imposed by the specific application environment of power VDMOS su
4、ch as high work temperature and high voltage. Solder joint and metalizing process origined device failure is also mentioned. Key words: power VDMOS; reliability; parameter degradation; failure mechanisms 功率VDMOSFET是一种垂直导电双扩散晶体管，属多子器件，没有少数载流子存储效应，开关速度快。工作频率高，开关损耗小。有优异的热稳定性，不会发生电流局部集中。它在功率器件市场中的份额已达42
5、%，并将继续上升。VDMOS晶体管的用量在我国目前至少数十亿只/年。可靠性及失效分析的研究是使产品在各种实作者简介： 张敏 ,1982年生，男，硕士研究生 , 主要从事功率器件方面的研究 . E-mail: 沈克强，男，副教授，硕士生导师 . 际的工作环境和负载下保持其性能的重要保证.由于以DMOS为核心的开关电源广泛应用于军事,电力,通信,微机系统等重要领域,而目前为了避免电源供电中断所使用UPS系统（不间断电源 ）其中也用到了功率VDMOS器件。且由于功率VDM0S经常工作在高电压、大电流的状态下，因此研究VDMOS在内的功率器件的失效诱因、失效机理又格外的重要。 除电子扫描和光学观察以外
6、，功率 vdmos 的电学参数可靠性测试方法有很多种，例如 快速热变测试（ RTV） ,高温反向偏置测试 (HTRB) , 非钳制第 1 期 张 敏，等：功率 VDMOS 器件的参数漂移与失效机理 155 电感开关测试（ UIS） ,高温环境存储测试 (HTS)，浪涌测试 (SC)等9，失效机理分析是一项细致而复杂的工作，因为对功率型 VDMOS 器件来说已是一个“小系统” ，它需用的原材料很多，采用多种工艺制成 ,失效模式通常涉及封装，键合，金属化，电学性能温漂等等诸多原因，通常由于功率 VDMOS 自身特点，其可靠性测试方法以及失效机理也有其特殊性。 1 高温环境和热应力下引发的关键电学参
7、数漂移以及失效 1.1 阈值电压的温度漂移 理论上 VDMOS的阈值电压的表达式如下: (1) 其中 为沟道表面最大杂质浓度， 为氧化层正电荷密度， 为栅金属与衬底的接触电势差 ， 为体费米能级。其中和与温度有关的参数主要是 体费米能级 杂质本征浓度 Ni 忽略了禁带宽度Eg 随温度的变化，有如下表达式： 16 3/ 2 / 2()ln( ) 3.87 10AfiEgkTiNxkTqnnT T e=(2) 下图比较了VDMOS和CMOS阈值特性随外界温度的变化趋势从图中可以看到 ,随着温度的升高 ,器件的阈值电压不断降低，并且阈值电压随温度线形下降：图 1 VDMOS和CMOS阈值特性随外界温
8、度的变化趋势图 可以看到 VDMOS 阈值电压的温度系数远远高于CMOS 的温度系数， 这是由于 VDMOS 的双扩散沟道更高的参杂浓度带来了更大的体费米能级 值f2.。 1.2 导通电阻的温度漂移 图 2 VDMOS 结构及导通电阻示意图 如上图所示目前公认的 VDMOS导通电阻主要可以划分如下几个部分1: 沟道电阻 Rch 积累层电阻 Racc颈区 JFET 电阻 RJ 漂移区电阻 Rdrift 对于低压大电流的 VDMOS器件沟道电阻和外延层电阻占主要的部分，而我们知道对于沟道电阻 Rch它同时受阈值电压和电子迁移率的影响，但这两部分随着温度升高的变化却是互补的，即：阈值电压的降低使 R
9、ch降低，随温度升高使得迁移率的降低又使 Rch增加，因此实际上 Rch随温度影响变化不大； 而对于高密度集成高压 VDMOS器件 ， 颈区JFET电阻 RJ和漂移区电阻 Rdrift， 占了全部导通电阻 90%的分量，而 RJ一般认为是不随温度而改变，因此我们只讨论 Rdrift的温度特性，由简化的 Rdrift表达式： 11 1212ln( ) ln( )driftLr LrRWr r =+ （ 3） 其中 L1 为有效漂移区长度， r1 为沟道边缘有效源区范围， r2 为 n+衬底有效电子接收范围，上式中唯一和温度有关的系数为电阻率 ，在到达本征温度前，由于迁移率随温度的减少，器件的导通
10、电阻始终体现了一个正温度系数，因此总的导通电阻随温度单调的增加。 12,max()22aSifoxTms fox oxqNQVCC = + +,maxaNfmsoxQf156 东南大学研究生学报 第 5 卷 图 3 导通电阻与温度的关系 1.3 饱和电流及反向漏电流的温度特性 由于目前先进的 VDMOS 器件都属于短沟道器件，考虑短沟道效应下的饱和电流的通用解析式 2()()2()gs thds sat oxsatgs theffVVTIvCWvLVVTT=+（ 4） 其中satv 为电子饱和速度， 约为710 /cm s ， ()effT为一定温度下的有效迁移率，使 Ids 对 T 微分，因
11、为 VDMOS 器件的过驱动电压 ()gs thVVT 一般都较大，在微分的第一项中忽略 2()sateffvLT： 222(2() )( ) 2 )ds thsat oxsateff effgs thsatgs theffIVvCWTTvLVVTvLTVV +（ 5） 我们发现，此时饱和电流的温度系数同时和有效电子迁移率温度系数，阈值电压温度系数以及过驱动电压有关，且前二者的都为负，当工作状态确定， 过驱动电压 ()gs thVVT 取适当值的时候，dsI的温度系数可能取到 0，此时dsI 将不随温度变化，了解这一点对改善器件可靠性设计有较大帮助。 我们已知 pn 结的反向漏电流包含了载流子
12、产生和漂移两个部分，表达式可以写做： 2()iirevnqAnWDIqAN =+ （ 6） 其中 A 是反向偏执时总的结区面积，由于 VDMOS工作在高压阻断状态时，外延层的耗尽区将会展宽且使得元胞间的耗尽区相连，实际的结面积几乎等同与整个器件的面积，我们可以看到上式中漏电流将随温度的增加呈指数关系的上升，这将从根本上限制器件在高温条件下的应用，减少 p 阱区面积，减少外延层掺杂浓度是改善这一问题的主要手段。 1.4 由 HTRB 实验得出的典型 VDMOS 器件的主要失效模式 由于热功率和热应力会全面地削弱器件的性能和寿命 ,引起键合 ,金属化 ,击穿等多方面的失效，因此必须通过实验进行全面
13、考察。下面结合资料上的实例介绍 Arrhenius 方程的使用和分析器件前期失效的主要失效模式。 N. TOW等人用一批标准的 n沟道 VDMOS器件（ Ei-Microelectronic生产的 EFP8N15） 做过一组在三种温度下 （ 100C, 125C 和 150C).的 试验（ high-temperature-reverse-bias高温反偏工作试验） （ Vds=110v Vgs=0v）得出了一组数据如下3： 图 4 实际测的导通电阻随着温度的变化 图 4给出了导通电阻随着温度的变化 （ Vgs=8v）我们发现导通电阻在 3 组温度测试中的变化都相仿 :由于高温和偏置， 我们注
14、意在前期()DSonR 随着温度按比例地缩小，这与前面提出的理论不符！产生这种缩小的激活能可以由阿列纽斯表达式提供： () () ()() ()(0)exp (0) (0)DS on DS on DS onaDS on DS onRRRECtR RkT =（ 7） 第 1 期 张 敏，等：功率 VDMOS 器件的参数漂移与失效机理 157 从中我们可以计算出激活能aE =0.26eV,这就意味着导通电阻下降的原因是由于键合时金属互化过程的结果。 图 5 输出电流曲线的不稳定 图 5 显示的是饱和区输出电流DI 当GSV =7 伏时随着温度的退化过程。 由于()DSonR =GSV /DI 对比
15、图 4 和 5 可以发现他们的变化是由同样的机理引起的，曲线的不稳定性的归功于漏源接触的电迁移现象。 图 6 阿列纽斯图表中失效率的曲线 考虑器件的前期毁坏性失效，图 6 我们可以看到失效率被划分为了两个温度段，由于 100125C的温度范围 的值完全线性，可以确定此时只有一种失效机理起作用，计算上图低温段直线斜率我们得到1aE =0.42eV 这是塑料封装的一种共有的失效，通过建立如下的风险竞争模型，我们能表示高温段总的失效率为： 12() () ()TTT = + 1212() exp exp aaEETB BkT kT =+ （ 8） 其中 B1和 B2是频率因子， 一般由制造商提供，由于我们已知1aE =0.42eV， 根据高温段测得的总失效率可以算得2aE =0.23eV,发现这恰好就是栅氧化层击穿的激活能。通过取样的 SEM 观察也证实了其失效原因为栅氧化层缺陷导致的击穿。通过这些实验得出了源
