基于Arrhenius模型快速評(píng)價(jià)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(dòng)電流小、動(dòng)態(tài)損耗小、失真小等優(yōu)點(diǎn)。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(huì)加速微電子器件的退化機(jī)理［2-3］，對(duì)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(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，帶來的損失不可估量。因此對(duì)功率VDMOS進(jìn)行可靠性及失效分析顯得尤為重要，國外對(duì)功率VDMOS的可靠性［4］進(jìn)行了初步分析，國內(nèi)也已經(jīng)對(duì)GaAs微波場效應(yīng)晶體管［5-6］進(jìn)行了研究，但對(duì)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(yàn)對(duì)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(jià)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(shí)間內(nèi)得到有價(jià)值的壽命數(shù)據(jù)。本文采用恒定應(yīng)力加速壽命實(shí)驗(yàn)，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(shí)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(yàn)多采用Arrhenius模型。該模型的阿列尼斯經(jīng)驗(yàn)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(duì)溫度；t為時(shí)間。

　　從式（1）中可以看出，壽命的對(duì)數(shù)與絕對(duì)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(gè)溫度點(diǎn)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(yàn)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(shí)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(yàn)

　　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(shí)，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(jì)算得到Rc-a=13.3℃/W，因此ΔTc-a=80℃，故環(huán)境溫度為150、165、180℃時(shí)樣管殼溫分別為230、245、260℃，利用式（3）即可得到其對(duì)應(yīng)結(jié)溫分別為TJ150℃=240℃、TJ165℃=255℃、TJ180℃=270℃。

　　2.2 試驗(yàn)

　　試驗(yàn)器件為TO-3封裝的n溝道功率VDMOS場效應(yīng)晶體管。試驗(yàn)分三組進(jìn)行，每組試驗(yàn)樣品數(shù)均為6只，施加溫度分別為150、165、180℃（對(duì)應(yīng)結(jié)溫分別為240、255、270℃），試驗(yàn)時(shí)間分別為1058、920、690h，偏置條件為VDS=7.5V、IDS=0.8A；試驗(yàn)前均對(duì)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(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

　　3.1 參數(shù)退化

　　試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

　　失效樣管（以3＃為例）試驗(yàn)前后輸出特性曲線對(duì)比如圖1所示，溫度應(yīng)力為150℃，柵源電壓為4.2～4.8V時(shí)，試驗(yàn)后（圖中細(xì)線）樣管漏源電流較試驗(yàn)前（圖中圓點(diǎn)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(yàn)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?？梢钥闯鲈谌M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(yàn)的失效分布圖如圖3所示，由圖看出本試驗(yàn)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(yàn)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(shí)間更短。此結(jié)果與恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)理論相符，說明本試驗(yàn)是一個(gè)比較成功的恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。

　　3.3 數(shù)據(jù)分析

　　本試驗(yàn)樣本容量小，故采用精度較高的“最好線性無偏差估計(jì)”（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(shí)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(duì)三組試驗(yàn)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(shí)，其失去絕緣能力，因此當(dāng)ｐ區(qū)反型形成溝道時(shí)，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(yàn)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(duì)功率VDMOS在高溫環(huán)境下進(jìn)行恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)得到：

　?、偈覝叵鹿ぷ鲿r(shí)（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(jià)值。

　　②恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)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。