基于Arrhenius模型快速評價功率VDMOS可靠性

0 引言

　　垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散場（VDMOS）效應(yīng)晶體管是新一代集成化半導(dǎo)體電力器件的代表［1］。與功率晶體管相比，具有輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性高、開關(guān)速度快、驅(qū)動電流小、動態(tài)損耗小、失真小等優(yōu)點。因此VDMOS廣泛應(yīng)用在電機(jī)調(diào)速、工業(yè)控制、汽車電器等領(lǐng)域。但功率VDMOS的高壓大電流的工作條件使得其功耗及自熱效應(yīng)相當(dāng)明顯，而溫度的升高又必然會加速微電子器件的退化機(jī)理［2-3］，對其可靠性造成嚴(yán)重影響甚至引起失效，且器件的失效必然會影響整個系統(tǒng)的正常工作，帶來的損失不可估量。因此對功率VDMOS進(jìn)行可靠性及失效分析顯得尤為重要，國外對功率VDMOS的可靠性［4］進(jìn)行了初步分析，國內(nèi)也已經(jīng)對GaAs微波場效應(yīng)晶體管［5-6］進(jìn)行了研究，但對功率VDMOS場效應(yīng)晶體管的可靠性研究特別是其完整的可靠性數(shù)據(jù)和失效機(jī)理的研究還比較少。本文采用恒定溫度應(yīng)力加速壽命試驗對功率VDMOS的可靠性進(jìn)行了研究，得到較為完整的可靠性數(shù)據(jù)，并分析得到引起其漏源電流IDS退化的主要失效機(jī)理是柵極擊穿，從而為功率VDMOS類型器件的加工制造及應(yīng)用等方面提供有價值的數(shù)據(jù)。

　　1 理論

　　電子器件在正常工作狀態(tài)下，很難在短時間內(nèi)得到有價值的壽命數(shù)據(jù)。本文采用恒定應(yīng)力加速壽命實驗，通過施加溫度應(yīng)力，加速了元器件的參數(shù)退化，縮短了壽命，在短時間內(nèi)得到必要的壽命數(shù)據(jù)。

　　以溫度為加速應(yīng)力的恒定應(yīng)力加速壽命試驗多采用Arrhenius模型。該模型的阿列尼斯經(jīng)驗公式可以反映電子元器件壽命與溫度之間的物理化學(xué)變化過程，即

　　式中：A為常數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)；E為激活能；T為絕對溫度；t為時間。

　　從式（1）中可以看出，壽命的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)之間滿足直線方程，因此通過施加幾組溫度應(yīng)力得到元器件在這幾個溫度點上的壽命后，利用這一關(guān)系外推出表征元器件失效機(jī)理的激活能Ｅ和正常溫度下的元器件壽命。

　　若試驗中采取不同的溫度應(yīng)力T1、T2，其他條件不變，要產(chǎn)生相同的退化量，所需時間分別為t1、t2，其比即為溫度加速因子τ，則

　　2 結(jié)溫的確定及試驗

　　2.1 結(jié)溫的確定

　　樣管在室溫（27℃）下的結(jié)殼熱阻RJC=1.7℃/W（廠家提供）。樣管偏置條件為VDS=7.5V、IDS＝0.8A時，其在室溫（27℃）下的殼溫TC=107℃，由式（3）可得室溫下TJ=117℃，即

　　式中：TJ為結(jié)溫；RJC為結(jié)殼熱阻；P為功率；Tc為殼溫。

　　由熱阻定義，利用室溫下的數(shù)據(jù)，可以計算得到Rc-a=13.3℃/W，因此ΔTc-a=80℃，故環(huán)境溫度為150、165、180℃時樣管殼溫分別為230、245、260℃，利用式（3）即可得到其對應(yīng)結(jié)溫分別為TJ150℃=240℃、TJ165℃=255℃、TJ180℃=270℃。

　　2.2 試驗

　　試驗器件為TO-3封裝的n溝道功率VDMOS場效應(yīng)晶體管。試驗分三組進(jìn)行，每組試驗樣品數(shù)均為6只，施加溫度分別為150、165、180℃（對應(yīng)結(jié)溫分別為240、255、270℃），試驗時間分別為1058、920、690h，偏置條件為VDS=7.5V、IDS=0.8A；試驗前均對VDMOS場應(yīng)晶體管特性（導(dǎo)通電阻、輸出特性、轉(zhuǎn)移特性）進(jìn)行初測，測試周期為46h；失效判據(jù)為ΔIDS＞初始值20％、ΔRDS＞初始值20％、ΔIDSR＞初始值20％，以大者為準(zhǔn)。

　　3 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

　　3.1 參數(shù)退化

　　試驗測試發(fā)現(xiàn)功率VDMOS的導(dǎo)通電阻、漏源電流、截止漏電流均發(fā)生退化，其結(jié)果見表1～3所示。

　　由表1～3所示結(jié)果，可以得出IDS退化是功率VDMOS的主要失效模式，因此以IDS的退化作為失效判據(jù)。

　　3.2 試驗結(jié)果

　　失效樣管（以3＃為例）試驗前后輸出特性曲線對比如圖1所示，溫度應(yīng)力為150℃，柵源電壓為4.2～4.8V時，試驗后（圖中細(xì)線）樣管漏源電流較試驗前（圖中圓點粗線）有明顯降低，說明柵極控制能力減弱，柵極可能發(fā)生累積失效。

　　圖2為試驗中漏源電流IDS退化圖（3＃、7＃、15＃為例），其偏置均為VDS=10.1V、VGS=4.8V。可以看出在三組溫度應(yīng)力作用下，漏源電流IDS均出現(xiàn)不同程度的下降，且隨著應(yīng)力的增大，下降幅度增加，溫度應(yīng)力加速器件參數(shù)退化，與阿列尼斯方程符合較好。

　　本試驗的失效分布圖如圖3所示，由圖看出本試驗在三組溫度應(yīng)力下，樣管的失效分布呈三條相互平行的直線，說明在該試驗中樣管的失效機(jī)理是一致的，且由圖可知較高的溫度應(yīng)力可以更快地加速參數(shù)退化，器件達(dá)到失效所需時間更短。此結(jié)果與恒定應(yīng)力加速壽命試驗理論相符，說明本試驗是一個比較成功的恒定應(yīng)力加速壽命試驗。

　　3.3 數(shù)據(jù)分析

　　本試驗樣本容量小，故采用精度較高的“最好線性無偏差估計”（BLUE）法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。結(jié)果如下：①功率VDMOS在室溫下（結(jié)溫117℃）工作時的壽命特征值為3.67×106h；②功率VDMOS的主要失效模式是漏源電流的退化，其失效激活能E=0.54eV；③形狀參數(shù)m的加權(quán)平均值m=1.373；④加速系數(shù)τ:τ(240～117℃)≈47.9145，τ(255～117℃)≈67.8953，τ(270～117℃)≈94.3733。

4 結(jié)果分析

　　對三組試驗中的失效樣管進(jìn)行結(jié)之間（pin-to-pin）電特性測試（第三端開路）。圖4、5所示分別為失效樣管（以3＃為例）與未失效樣管（以5＃為例）的柵源I-V特性及柵漏I-V特性比較。

　　從失效樣管的柵源I-V特性及柵漏I-V特性可以判斷其柵極出現(xiàn)較大漏電流，說明柵極失去其絕緣能力，發(fā)生柵極累積失效。

　　由VDMOS工作原理可得，柵極發(fā)生失效時，其失去絕緣能力，因此當(dāng)ｐ區(qū)反型形成溝道時，部分電子通過已擊穿的柵極形成柵極漏電流，使得形成漏源電流的電子減少，造成漏源電流IDS降低。通過上述試驗及理論分析可以確定漏源電流的下降是由柵極累積失效而引起的。進(jìn)一步的柵極失效原因正在研究中，其結(jié)果將在后續(xù)工作中給予介紹。

　　5 結(jié)論

　　對功率VDMOS在高溫環(huán)境下進(jìn)行恒定應(yīng)力加速壽命試驗得到：

　　①室溫下工作時（結(jié)溫117℃），其壽命特征值t=3.67×106h，失效激活能E=0.54eV，這些較為完整的可靠性數(shù)據(jù)為功率VDMOS類型器件在今后的生產(chǎn)和應(yīng)用中提供參考價值。

　　②恒定應(yīng)力加速壽命試驗中功率VDMOS的主要失效模式是漏源電流IDS的退化，其失效機(jī)理是柵極累積失效。