IGBT及其子器件的四种失效模式比较

1、  引言
IGBT及其派生器件，例如：IGCT，是MOS和双极集成的混合型半导体功率器件。因此，IGBT的失效模式，既有其子器件MOS和双极的特有失效模式，还有混合型特有的失效模式。MOS是静电极敏感器件，因此，IGBT也是静电极敏感型器件，其子器件还应包括静电放电（SED）防护器件。据报道，失效的半导体器件中，由静电放电及相关原因引起的失效，占很大的比例。例如：汽车行业由于失效而要求退货的器件中，其中由静电放电引起的失效就占约30%。
本文通过案例和实验，概述IGBT及其子器件的四种失效模式：
（1）       MOS栅击穿；
（2）       IGBT——MOS阈值电压漂移；
（3）       IGBT寿命期内有限次连续短路脉冲冲击的累积损伤；
（4）       静电放电保护用高压npn管的硅熔融。
2、  MOS栅击穿
IGBT器件的剖面和等效电路见图1。

由图1可见，IGBT是由一个MOS和一个npnp四层结构集成的器件。而MOS是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。其中，氧化物通常是硅衬底上氧化而生成的SIO2，有时还迭加其他的氧化物层，例如Si3N4，Al2O3。通常设计这层SiO2的厚度ts：
微电子系统：ts<1000A电力电子系统：ts≥1000A。
SiO2，介质的击穿电压是1×1019V/m。那么，MOS栅极的击穿电压是100V左右。
人体产生的静电强度U：
湿度：10-20%，U＞18000V；60-90%时，U≥1500V。
上述数据表明，不附加静电保护的MOS管和MOS集成电路（IC），只要带静电的人体接触它，MOS的绝缘栅就一定被击穿。
案例：上世纪六十年代后期，某研究所研制的MOS管和MOS集成电路。不管是安装在印刷电路板上还是存放在盒中的此种器件，都出现莫名其妙的失效。因此，给MOS一个绰号：摸死管。
如果这种“摸死”问题不解决，我国第一台具有自主知识产权的MOS集成电路微型计算机就不可能在1969年诞生。经过一段时间的困惑，开始怀疑静电放电的作用。为了验证，准备了10支栅极无任何防护的MOS管，用晶体管特性测试仪重新测试合格后，即时将该器件再往自己身上摩擦一下再测特性，结果发现：100%栅击穿！随后，在MOS管的栅极一源极之间反并联一个二极管，问题就基本解决。意外的结果：“摸死管”成了一句引以为戒的警语。该研究所内接触和应用MOS管MOS-IC的同事，对静电放电对器件的破坏性影响都有了深刻的体验。
3、  IGBT——MOS阈值电压漂移——一种可能隐藏的失效模式
MOS管的阈值电压Vth的方程式：
               （1）
式中VSS=表面态阈值电压，Vhh =本征阈值电压，
常数
(费米势)，N=硅衬底杂质浓度。
图2是栅电压VG和栅电容CO的C—V曲线，曲线上的箭头表时扫描方向。
 

由图2可见。C—V曲线是一条迟滞回路，该回路包络的面积等于表面态电荷，QSS是由Si—SiO2界面缺陷和正电荷离子引起的。而且，Si—SiO2界面的QSS始终是正的。即VSS总是向VITH正向移动。这就决定了沟增强型MOS管和P沟数字集成电路容易实现。

为了减小QSS和防止SiO2——Si界面电荷交换与移动，引起阈值电压漂移，采取了许多措施：
（1）       将<111>硅衬底换为<100>硅衬底，减小硅表面的非饱和键；
（2）       制备工艺中使用的石英器皿，气体和化学试剂均提升纯度级别，尽量减小Na离子的污染含量；
（3）       研发新的绝缘栅介质系列：
·Si3N4——Si，Si3N4——SiO2——Si；
·Al2O3——Si，Al2O3——SiO2——Si。
    以上措施，对低压微功耗的微电子的应用，已证明MOS与MOSIC是可靠的。但是对于电力电子应用的场合：高电压，大电流和工作温度范围较宽。特别是，静电放电电压接近栅极击穿电压而又未穿栅极时，例如上文所示接近100V时，仍有隐忧：
（1）       较高栅电压下，阈值电压漂移较大，图3示出P沟硅栅MOS在高栅电压下的。由图3可见，栅电压VG=40V时，=4V。

（2）       PT—IGBT在高温栅偏压下阈值电压漂移。图4给出PT—IGBT（IRG4BC20F）在（1）栅已射极Gge=20V，Vce=OV（HTGB）和（2）Vge=0V，Vce=0.8V(HTRB)在140℃，经过1200小时的应力试验结果。由图4中的HTGB曲线可见，栅偏置试验开始后100小时内，时线性增加，随后趋于稳定。

（3）       电可擦只读存贮器（electrically erasable read-only memory，简称EEROM）的存贮单元是氮化硅（Si3N4）—二氧化硅(SiO2)构成的双层绝缘栅的MOS管，它利用栅极注入电荷来改变ROM存贮单元的状态。
（4）       MOS是一种单极，多数载流子器件，按半导体器件理论，它的抗辐射，主要是抗γ射线的能力应该比双极、少数载流子器件强，但是，实际情况刚相反。这说明MOS的绝缘栅结构在辐射场下有较大的损伤和电荷交换。
（5）       以上4种情况说明，MOS阈值电压漂移在电力电子的应用条件，即高电压（接近栅击穿电压）、大电流和高温（接近pn结临界温度150℃）时，是一种导致器件和电路失效的潜在参数，似乎仍需系统考察和修订老化条件。所以，将称作是一种可能隐藏的失效模式。
4、  IGBT寿命期限内，有限次数短路脉冲冲击的累积损伤失效
      在寿命期限内，IGBT会遇到在短路、雪崩等恶劣条件下工作，它能承受短路脉冲冲击的次数是有限的，并和相关条件有关。
4.1非穿通型（NPT）IGBT的鲁棒性
NPT—IGBT的鲁棒性见图5，被测器件是SGW15N120。在540V 125℃时测试。X轴是耗散的能量。Y轴是器件直至损坏的短路周期次数。

由图5可见，在给定条件下，器件有一个临界能量：
EC=V·I·TSC=1.95J（焦耳）
式中，TSC是短路持续时间
当E>EC时，，第一次短路就使器件失效。
当E<EC时，大约要经历104次短路以上，器件会因周期性的能量累积退化使它失效。
当E=EC时，器件失效模式不明确。当能量等于或稍等于EC时，器件关断后，器件的拖尾电流，经过一段延迟时间td f ，将导致热击穿。这段延缓性失效时间为微秒级。
图6给出不同短路续时间TSC，IGBT测量的短路电流波形。

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由图6可以看出：

（1）       紧随器件关断后，初始拖尾电流电平（lio）直至失效的延迟时间是由能量决定的，或者说由器件关断后的温度决定的。能量越大，拖尾电流电平也越高，失效的延迟时间则越短。例如，图中给出的最大能量是Tsc=60us，这时，Tds趋向一个极小值。

（2）       当Tsc=33us时，属于E<EC状态，不发生延迟失效。

当Tsc=35us，Tds=25us，开始出现热击穿。

4.2管壳温度的影响

管壳温度对临界能量EC的影响最大，管壳温度升高，EC就下降，测量SGW15N60的结果是：

温度：25℃125℃

EC：0.81J0.62J

4.3集电极电压的影响

集电极电压升高，EC就下降：

VC：250V540V

EC：2.12J1.95J

4.4穿通型（PI）IGBT

    PT—IGBT的短路失效特性和NPT—IGBT类似，但是，临界能理值EC比NPT—IGBT低。例如：在125℃，短路电压Vsc=400V时：

    600V PT—IGBT（IRGP20u）：EC=0.37J

600V NPT—IGBT(SGW15N60):EC=0.62J

4.5结果

（1）每次短路周期耗散的能量E小于由被测电路电压Vce、短路持续时间Tsc和管壳温度决定的临界能量Ec时，IGBT可以连续承受104次以上短路冲击才失效。

（2）在可比的条件下，当E>EC时，一次短路就失效。

（3）NPT—IGBT比PT—IGBT能承受较大的能量冲击。

5、静电放电保护用高压NPN管的硅熔融

在失效的硅器件表面，常常观察到硅熔融，而导致硅熔融的原因却不只一个。例如：器件短路和开关时的瞬间大电流，正向工作区域或热工作区出现二次击穿损伤等到。因此要对静电敏感的器件和电路的输入/输出（I/O）端增设静电放电（ESD）保护装置。而ESD保护装置的器件的硅熔融，也是使被保护的器件和电路失效的原因之一。在本文引言中曾提到汽车应用的器件，其中原因失效要退货的数量中，有30%的失效与ESD有关。由于I/O端的规范不同，需要及时对器件和电路进行再设计。同时，为了减少试验成本，提高可靠性，需要采用计算机辅助设计技术（TCAD）。

图7是晶体管的正向击穿特性，图7中的VT·是器件的损伤点，其定义有以下三种设定：

（1）              器件的漏泄电流大于某一临界值即定为器件失效。但它忽略了硅熔融和氧化层的击穿；

（2）              器件出现强烈电压崩溃的二次击穿时定为器件失效，但有时器件达到大电流范围也不出现二次击穿。

（3）              当器件的载流子碰撞电离Gi等于肖克莱—里德—霍尔（Shockley—Read—Hall）复合率，同时，总电流随电压反向增加时定为器件失效。

为了验证第（3）种假设，予测二次击穿管点，用0.35um特征尺寸的功率集成电路工艺设计了ESD防护用的标准高压NPN管，并将基极—发射极接地。

图8是NPN管测量的和用（2）假定来模拟的I-V特性。由图8可见，测量的损伤电流IT2=1.5A,而模拟值是1..8A，有较大误差。图9是用（3）假设外推的结果。其模拟值是1.52A，相当一致。

图10是1A电流应力下，模拟显示该器件有两个热点。一个在收集极触点下，损伤电流IT2=1.52A；另一个热点在发射极之下，用外推法算出的损伤电流远大于2A。所以，首先出现导致失效的硅熔融点应在收集极。图11是该器件失效照片。证明此结果。

本案例说明：（1）ESD防护器件的失效也是实际器件和电路失效的一种模式。（2）防护用的NPN管的损伤点可以用TCAD获得。