功率VDMOS器件高温直流应力下退化及失效机理研究(2)

elation between reverse IGSSand stress time(UGS=-20 V) 根据功率VDMOS器件的结构原理,其静态漏极-源极通态电阻RDS(on)包括：源极接触及封装电阻RS、源区电阻Rn+、沟道电阻Rch、积累层电阻Ra、JFET区电阻Rj、N-层电阻Repi、衬底电阻Rsub、漏极接触及封装电阻RD,各部分电阻分布如图5所示[13-14]。其中源极电阻RS为器件半导体结构之外的源极相关部分引入的电阻,由含引线在内的源极封装电阻Rcas(S)和源极欧姆接触电阻Rcont(S)两部分组成,即RS=Rcas(S)+Rcont(S)。类似地,漏极电阻RD由含引线在内的漏极封装电阻Rcas(D)和漏极欧姆接触电阻Rcont(D)两部分组成。图6所示为器件的RDS(on)随应力时间变化关系,测量设置UGS=10 V,IDS=28 A。在起初672 h内RDS(on)均保持稳定,而在672～864 h内,各个器件RDS(on)陆续开始出现上升趋势并保持至测量结束,值得注意的是3号管上升较快。但RDS(on)的增长源于器件电阻分布中哪一部分的变化仍需深入分析。 图5 RDS(on)分布示意图Fig.5 Diagram of the distribution of RDS(on) 图6 RDS(on)和应力时间关系(UGS=10 V,IDS=28 A)Fig.6 Relation between RDS(on)and stress time(VGS=10 V,IDS=28 A) 图7所示为漏极-源极击穿电压(UDSS)的退化情况,UDSS即UGS=0 V,IDS=1 mA时的UDS值,其值整体趋势保持不变。UDSS主要取决于外延层厚度、掺杂浓度等因素,特别是取决于外延层中漂移区的情况。但作为一个整体而言,UDSS也受器件其他部分影响,虽然其不是主要因素。从漏电流传输路径来看,从漏极开始,自下而上依次经过衬底N+区、外延层N-区、P区、源区N+区,最终从源极引线流出。随着应力时间延长,UDSS总体不变,测量结果表明,该电流路径上器件各部分状态没有变化。结合之前图2～4对于栅极的分析结果,可判断器件内部各部分在应力作用下均没有发生变化。 图7 UDSS和应力时间关系(UGS=0 V,IDS=1 mA)Fig.7 Relation between UDSSand stress time(UGS=0 V,IDS=1 mA) 图7得到的结果意味着图6中RDS(on)的变化与器件内部无关。因此RDS(on)的变化应来自于器件半导体结构以外的欧姆接触以及包含引线在内的封装结构的变化,即源于RS或RD的增大。正常情况下Rch、Ra、JFET区电阻Rj、N-层电阻Repi占据RDS(on)绝大部分。RD很小,近似可忽略;RS稍大,但相对于RDS(on)而言所占比例仍较小[13-14]。如果是RS或RD导致RDS(on)的显著增大必然是有异常情况发生。 2.2 微区分析 3号管失效后,对其进行了局部微区分析,得到封装开帽后器件表面扫描电镜图片,如图8所示。 图8 器件损坏局部区域扫描电镜图片Fig.8 The SEM image of damaged area of the device 可以看到源极引线已断裂,即图中箭头所指位置,且源极所在的表层呈现明显热损坏迹象。引线断裂处没有锋锐的断面,断面无规则但各处较圆润,且断裂后相接近的两端大体形状为圆头,图像表明应是高温下引线熔断导致,和器件表层图像的起泡鼓起相吻合。源极位置的高温是由于源极封装或源极欧姆接触的退化导致RS升高,而RS升高导致源极部位温度升高,温度升高又促进RS升高。在应力期间,该热电反馈作用发生,导致器件损坏。这一分析和图6中漏源通态电阻的变化情况相符合,各器件RDS(on)普遍都有增大,而损坏的3号管尤为明显。其源极相关部位退化情况最为严重,当RS升高,RDS(on)大于某一临界值时,灾难性的热电反馈最终导致器件烧毁。 2.3 热阻测试 在每个测量点,除电学特性测量之外,本研究对器件的RTH进行了测量。 根据JEDEC标准No.51-1,半导体器件RTH定义为： 式中：TJ为器件温度达到稳态后的结温;TR为参考点温度;PH为器件的电功率即热功率;TJ-TR为参考点与结的温度之差,也就是工作时的结温升ΔT。ΔT/PH就可以得到参考点和结之间的RTH,RTH定义为结对参考点。 本研究采用了电学法测量RTH。其测量原理是,半导体器件的结温和电学参数之间具有对应关系,如PN结、肖特基结的温度和固定电流下的结电压降呈线性关系,此类电学参数称为温敏参数。使用电学仪器测得温敏参数的变化,即可得到器件的温度变化[15]。 测量RTH时,首先测

文章来源：《微电子学与计算机》 网址: http://www.wdzxyjsjzz.cn/qikandaodu/2020/0803/335.html