IGBT及其子器件的四種失效模式比較

1、 引言
IGBT及其派生器件，例如：IGCT，是MOS和雙極集成的混合型半導(dǎo)體功率器件。因此，IGBT的失效模式，既有其子器件MOS和雙極的特有失效模式，還有混合型特有的失效模式。MOS是靜電極敏感器件，因此，IGBT也是靜電極敏感型器件，其子器件還應(yīng)包括靜電放電（SED）防護(hù)器件。據(jù)報(bào)道，失效的半導(dǎo)體器件中，由靜電放電及相關(guān)原因引起的失效，占很大的比例。例如：汽車行業(yè)由于失效而要求退貨的器件中，其中由靜電放電引起的失效就占約30%。
本文通過案例和實(shí)驗(yàn)，概述IGBT及其子器件的四種失效模式：
（1） MOS柵擊穿；
（2） IGBT——MOS閾值電壓漂移；
（3） IGBT壽命期內(nèi)有限次連續(xù)短路脈沖沖擊的累積損傷；
（4） 靜電放電保護(hù)用高壓npn管的硅熔融。
2、 MOS柵擊穿
IGBT器件的剖面和等效電路見圖1。

由圖1可見，IGBT是由一個(gè)MOS和一個(gè)npnp四層結(jié)構(gòu)集成的器件。而MOS是金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)管的簡稱。其中，氧化物通常是硅襯底上氧化而生成的SIO2，有時(shí)還迭加其他的氧化物層，例如Si3N4，Al2O3。通常設(shè)計(jì)這層SiO2的厚度ts：
微電子系統(tǒng)：ts1000A電力電子系統(tǒng)：ts≥1000A。
SiO2，介質(zhì)的擊穿電壓是1×1019V/m。那么，MOS柵極的擊穿電壓是100V左右。
人體產(chǎn)生的靜電強(qiáng)度U：
濕度：10-20%，U＞18000V；60-90%時(shí)，U≥1500V。
上述數(shù)據(jù)表明，不附加靜電保護(hù)的MOS管和MOS集成電路（IC），只要帶靜電的人體接觸它，MOS的絕緣柵就一定被擊穿。
案例：上世紀(jì)六十年代后期，某研究所研制的MOS管和MOS集成電路。不管是安裝在印刷電路板上還是存放在盒中的此種器件，都出現(xiàn)莫名其妙的失效。因此，給MOS一個(gè)綽號：摸死管。
如果這種“摸死”問題不解決，我國第一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MOS集成電路微型計(jì)算機(jī)就不可能在1969年誕生。經(jīng)過一段時(shí)間的困惑，開始懷疑靜電放電的作用。為了驗(yàn)證，準(zhǔn)備了10支柵極無任何防護(hù)的MOS管，用晶體管特性測試儀重新測試合格后，即時(shí)將該器件再往自己身上摩擦一下再測特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：100%柵擊穿！隨后，在MOS管的柵極一源極之間反并聯(lián)一個(gè)二極管，問題就基本解決。意外的結(jié)果：“摸死管”成了一句引以為戒的警語。該研究所內(nèi)接觸和應(yīng)用MOS管MOS-IC的同事，對靜電放電對器件的破壞性影響都有了深刻的體驗(yàn)。
3、 IGBT——MOS閾值電壓漂移——一種可能隱藏的失效模式
MOS管的閾值電壓Vth的方程式：
（1）
式中VSS=表面態(tài)閾值電壓，Vhh =本征閾值電壓，
常數(shù)
(費(fèi)米勢)，N=硅襯底雜質(zhì)濃度。
圖2是柵電壓VG和柵電容CO的C—V曲線，曲線上的箭頭表時(shí)掃描方向。

由圖2可見。C—V曲線是一條遲滯回路，該回路包絡(luò)的面積等于表面態(tài)電荷，QSS是由Si—SiO2界面缺陷和正電荷離子引起的。而且，Si—SiO2界面的QSS始終是正的。即VSS總是向VITH正向移動(dòng)。這就決定了溝增強(qiáng)型MOS管和P溝數(shù)字集成電路容易實(shí)現(xiàn)。

為了減小QSS和防止SiO2——Si界面電荷交換與移動(dòng)，引起閾值電壓漂移，采取了許多措施：
（1） 將111>硅襯底換為100>硅襯底，減小硅表面的非飽和鍵；
（2） 制備工藝中使用的石英器皿，氣體和化學(xué)試劑均提升純度級別，盡量減小Na離子的污染含量；
（3） 研發(fā)新的絕緣柵介質(zhì)系列：
·Si3N4——Si，Si3N4——SiO2——Si；
·Al2O3——Si，Al2O3——SiO2——Si。
以上措施，對低壓微功耗的微電子的應(yīng)用，已證明MOS與MOSIC是可靠的。但是對于電力電子應(yīng)用的場合：高電壓，大電流和工作溫度范圍較寬。特別是，靜電放電電壓接近柵極擊穿電壓而又未穿柵極時(shí)，例如上文所示接近100V時(shí)，仍有隱憂：
（1） 較高柵電壓下，閾值電壓漂移較大，圖3示出P溝硅柵MOS在高柵電壓下的。由圖3可見，柵電壓VG=40V時(shí)，=4V。

（2） PT—IGBT在高溫柵偏壓下閾值電壓漂移。圖4給出PT—IGBT（IRG4BC20F）在（1）柵已射極Gge=20V，Vce=OV（HTGB）和（2）Vge=0V，Vce=0.8V(HTRB)在140℃，經(jīng)過1200小時(shí)的應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果。由圖4中的HTGB曲線可見，柵偏置試驗(yàn)開始后100小時(shí)內(nèi)，時(shí)線性增加，隨后趨于穩(wěn)定。

（3） 電可擦只讀存貯器（electrically erasable read-only memory，簡稱EEROM）的存貯單元是氮化硅（Si3N4）—二氧化硅(SiO2)構(gòu)成的雙層絕緣柵的MOS管，它利用柵極注入電荷來改變ROM存貯單元的狀態(tài)。
（4） MOS是一種單極，多數(shù)載流子器件，按半導(dǎo)體器件理論，它的抗輻射，主要是抗γ射線的能力應(yīng)該比雙極、少數(shù)載流子器件強(qiáng)，但是，實(shí)際情況剛相反。這說明MOS的絕緣柵結(jié)構(gòu)在輻射場下有較大的損傷和電荷交換。
（5） 以上4種情況說明，MOS閾值電壓漂移在電力電子的應(yīng)用條件，即高電壓（接近柵擊穿電壓）、大電流和高溫（接近pn結(jié)臨界溫度150℃）時(shí)，是一種導(dǎo)致器件和電路失效的潛在參數(shù)，似乎仍需系統(tǒng)考察和修訂老化條件。所以，將稱作是一種可能隱藏的失效模式。
4、 IGBT壽命期限內(nèi)，有限次數(shù)短路脈沖沖擊的累積損傷失效
在壽命期限內(nèi)，IGBT會(huì)遇到在短路、雪崩等惡劣條件下工作，它能承受短路脈沖沖擊的次數(shù)是有限的，并和相關(guān)條件有關(guān)。
4.1非穿通型（NPT）IGBT的魯棒性
NPT—IGBT的魯棒性見圖5，被測器件是SGW15N120。在540V 125℃時(shí)測試。X軸是耗散的能量。Y軸是器件直至損壞的短路周期次數(shù)。

由圖5可見，在給定條件下，器件有一個(gè)臨界能量：
EC=V·I·TSC=1.95J（焦耳）
式中，TSC是短路持續(xù)時(shí)間
當(dāng)E>EC時(shí)，，第一次短路就使器件失效。
當(dāng)EEC時(shí)，大約要經(jīng)歷104次短路以上，器件會(huì)因周期性的能量累積退化使它失效。
當(dāng)E=EC時(shí)，器件失效模式不明確。當(dāng)能量等于或稍等于EC時(shí)，器件關(guān)斷后，器件的拖尾電流，經(jīng)過一段延遲時(shí)間td f ，將導(dǎo)致熱擊穿。這段延緩性失效時(shí)間為微秒級。
圖6給出不同短路續(xù)時(shí)間TSC，IGBT測量的短路電流波形。