功率VDMOS器件高温直流应力下退化及失效机理研究(6)

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,首先测量被测VDMOS器件寄生二极管PN结电压和温度的线性关系,得到温度系数曲线。而后将其放置于保持恒温的热沉(参考点)上,利用特制夹具将器件固定并给以恒定向下压力。对器件施加功率使其升温,进入稳态后断开功率,采集小测试电流下PN结电压变化情况,结合温度系数曲线得到其温度,进而计算出其结到热沉之间RTH。施加功率仍采用UDS=5 V,IDS=2 A。图9为不同应力时间后结到热沉的RTH测量结果,可以看到除少许测量值自然偏差引起的抖动外,RTH值基本保持不变。考虑到器件采用TO-254AA国产军工级封装,源极区域向上为绝热性能良好的惰性气体,因此施加功率后主要热流传输路径如图10所示,器件内部升温后,热量由上往下传递至漏极,经焊料层、管壳,传递至最下端的热沉,所测得RTH为该传输路径上的RTH。在传输路径上,器件内部、漏极和焊料层结合处、焊料层、焊料层和管壳结合处、管壳到热沉这些环节的任一变化都将导致RTH值的改变。如果器件内部产生诸如孔洞裂纹或者漏极到焊料层之间结合情况变化,RTH会相应发生变化。图9所示测量结果证明了器件内部没有结构变化,并且漏极到焊料层结合情况保持稳定。此外,焊料层空洞是功率VDMOS器件常见的问题之一,对器件性能特别是RTH构成直接影响[9],RTH测量结果表明了焊料层保持稳定,其空洞情况没有恶化,并且焊料层和管壳结合情况没有变化。管壳到热沉的压力在测试期间保持恒定。图9 结到热沉的RTH和应力时间关系Fig.9 Relation between the junction-to-sink RTHand stress time图10 热流传输路径示意图

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