高频硅PNP晶体管3CG120高温失效机理研究

摘要：为了保证在高温条件下，正确使用高频硅PNP晶体管3CG120，文中对3CG120在不同温度段的失效机理进行了研究。通过对硅PNP型晶体管3CG120进行170～340℃温度范围内序进应力加速寿命试验，发现在170～240℃，240～290℃，以及290～340℃分别具有不同的失效机理，并通过分析得到了保证加速寿命试验中与室温相同的失效机理温度应力范围。
关键词：高温；失效机理；加速寿命试验；PNP

    失效分析的目的是通过总结失效现象，分析失效模式，研究其失效原因和失效机理，为器件的可靠性设计，工艺改进及可靠性增长提供有益的信息。
    电子器件有时需要在宇宙空间中运行的卫星、火箭等高温、高辐射等极端条件下使用，条件非常恶劣，超出了正常使用温度范围。并且，随着技术的进步，对电子器件所要求的可靠寿命也越来越长。这就使得研究器件高温特性和高温下的退化特性，分析其高温下的失效机理及失效原因，从而保证器件在各种温度条件下正常工作具有重要意义。
    文中使用温度斜坡法，对样品硅PNP型晶体管3CG120进行170～340℃温度范围内序进应力加速寿命试验，得到样品在不同温度下电流增益、击穿电压、反向漏电流等电参数的退化规律。并通过对不同电参数退化规律的分析，初步分析在不同温度范围内的样品失效机理。

1 试验
    为了研究样品3CG120在高温下的失效模式，失效机理等，文中对样品3CG120进行序进应力加速寿命试验，试验条件及测试参数如表1所示。

2 结果与分析
    试验的样本量为3支，在Ti=170～340℃温度范围内，试验样品372#、373#、374#表现出的退化规律比较一致。测试数据hFE如图1所示。

    如图1，参数hFE的退化过程可分为A、B、C、D 4段。各温度段内参数的退化规律如表2所示。
    分析各参数的退化规律，直流增益hFE仍然是第一位的失效敏感参数，下面从理论上分析其退化机理，同时，参照其他参数的变化规律对其进行分析。
    本试验中，根据晶体管原理：hFE=IC／IB      (1)
    式中，IC、IB分别为收集极、基极电流。
    根据半导体物理关于PN结的理论可知：PN结的正向电流由扩散电流和复合电流Ire两部分组成。当晶体管工作在有源放大区时，发射结势垒区内存在着净复合，这股复合电流的表达式为：
    
    式中：xm为发射结耗尽层厚度；AJ为发射结面积；VE为正向电压。
    由(2)式可知，复合电流Ire和耗尽区的体积xmAJ成正比；由(1)式可知，直流增益与复合电流成反比。当存在表面电场时，就会影响耗尽层总的体积，从而影响到发射结正向电流中复合电流的成分变化，进而影响直流增益hFE的大小。
    根据文献，pn结总的反向电流IR为：
    
    式中，Igen,MJ为结耗尽区中形成的产生电流；Igen,FIJ为栅电极下的表面耗尽区产生电流；Igen,s为Si-SiO2界面陷阱引起的产生电流。
    下面结合试验情况对样品的失效机理进行分析。
    第1段：175～240℃，在进行序进应力加速寿命试验时，发射结通过正向大电流，由于基区浓度远小于发射区浓度，故正向电流主要由空穴组成。这些空穴通过发射结耗尽层时形成正的空间电荷，这种正空间电荷在发射结Si-SiO2界面形成的电场，将排斥SiO2层中的可动正离子趋向远离Si-SiO2界面。故可动正离子会被排斥到SiO2上表面，相当于在SiO2上表面加一负电场VGBE，如图2所示。试验过程中的温度上升会促使正离子的这种运动，而且时间愈长在正离子在SiO2上表面堆积愈多，也即相当于VGBE愈大，这将使基区表面从堆积到耗尽。集电结也通过反向空穴大电流，在集电结耗尽层Si-SiO2界面形成相对于SiO2层的正向电场，排斥SiO2层中的可动正离子趋向远离Si-SiO2界面，使集电结基区表面逐渐耗尽，集电区表面逐渐堆积。

    随着温度的升高，发射结基区耗尽层逐渐扩展，表面复合电流也逐渐增加，导致基极电流IB随之增加。由公式(1)可得，hFE随着试验的进行在第一个温度段(170-240℃)逐渐下降如图1所示。

    而由于IEBO的测试条件是反向电压2 V，2 V反压造成的耗尽层宽度大于表面感应耗尽层的宽度，故表面耗尽层的变化没有影响到ICEO的大小，如图3所示。而ICBO的测试条件是反向电压10V，由于集电结基区表面耗尽，集电区表面堆积，对漏电流影响不大，故ICBO在此温度段变化也不大，如图4所示。

    击穿电压BVCEO、BVCBO形成的耗尽层都大大超过试验条件下产生表面耗尽层的宽度，故在本温度段耗尽层的变化不能影响BVCEO、BVCB O，即二者在此温度段变化不大，如图5所示。
    第2段：240～290℃，进入第二段后，温度达到240℃以上，结温达到270℃以上，集电区掺杂密度为1015。在此条件下，集电区产生本征激发，出现大量热电子、空穴，在反向偏压VBC及第一段积累形成的VGBC的作用下，BC结上方Si-SiO2界面发生热空穴注入，SiO2界面中空穴的积累，将导致集电区表面耗尽。而ICBO随温度上升指数增加，同时由于集电区本征激发产生的大量电子及集电结耗尽层的增加，进一步加大了ICBO。在试验条件下，过大的ICBO大大超过了IB，造成大量电子在基区堆积，使基区电位下降，与发射区形成正向压降，降低发射结势垒，基区大量电子扩散过发射结。此时，发射结电流不再主要由空穴组成，而由电子、空穴共同组成，即空穴在发射结Si-SiO2界面形成的电场被抵消。这就导致在高温下，发射结SiO2层中的可动正离子将逐渐恢复正常分布，从而使第二段hFE恢复到正常值附近如图1所示。
    在此温度段，发射结空穴注入，并在SiO2界面处形成堆积，使集电结基区表面耗尽层逐渐消失，集电区表面逐渐耗尽。由于集电结表面耗尽层的增大，由公式(3)可知，栅电极下的表面耗尽区产生电流Igen,FIJ和Si-SiO2界面陷阱引起的产生电流Igen,s都大大增加，从而导致了ICBO的大大增加，如图4所示。
    击穿电压BVCEO、BVCBO形成的耗尽层都大大超过试验条件下产生表面耗尽层的宽度，故在本温度段耗尽层的变化不能影响BVCEO、BVCBO，即二者在此温度段变化不大。
    第3段：290～340℃，随着温度继续升高，BC结上方Si-SiO2界面热空穴持续注入，在SiO2界面空穴继续堆积，使集电区表面反型，如图6所示。欧姆接触的金属A1离子开始融入发射结，造成结损伤，使hFE重新下降。

    在这一试验温度段，漏电流ICBO和ICEO出现了围绕初始值减小的现象，如图3、图4。分析认为：BC结表面出现反型层，由于失掉了Si-SiO2界面处复合中心，所以反向电流变成了：IR=Igen,MJ+Igen,FIJ，所以反向电流相对于第二温度段(240～290℃)的反向电流大大减小，但仍大于Igen,MJ。
    第4段：340℃-，试验温度在340℃之后，直流增益hFE表现出迅速减小的现象。使得该电流骤增，造成发射结局部发生不可逆的损伤，直流增益hFE迅速减小。同时造成了漏电流IBEO迅速增大，而击穿电压BVBEO快速减小的退化现象，如图5所示。

3 结论
    文中通过对硅PNP型晶体管3CG120进行170～340℃温度范围内序进应力加速寿命试验，对3CG120在不同温度段的失效机理进行了研究，发现在170～240℃温度段内，样品的失效机理是：发射结中通过的正电荷，排斥SiO2层中的可动正离子趋向远离Si-SiO2界面，这将使基区表面从堆积到耗尽，导致复合电流增大，而引起增益的下降。
    而在240～290℃温度段内，集电区产生本征激发，出现大量热电子、空穴，在反向偏压VBC的作用下，BC结上方Si-SiO2界面发生热空穴注入，导致增益改变；在290～340℃温度段内：BC结上方Si-SiO2界面热空穴持续注入，在SiO2界面空穴继续堆积，使集电区表面反型，导致增益的迅速下降。与室温失效机理一致的范围为：室温至240℃。