IGBT及其子器件的四种失效模式比较分析
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
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。
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
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
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。
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（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：
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3、 igbt——mos阈值电压漂移——一种可能隐藏的失效模式
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（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。
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（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
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。
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
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
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。
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