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IGBT失效机理分析--第1页
IGBT及其子器件的几种失效模式
摘要:本文通过案例和实验,概述了四种IGBT及其子器件的失效模式:MOS栅击穿、IGBT-MOS阈值
电压漂移、IGBT有限次连续短路脉冲冲击的积累损伤和静电保护用高压npn管的硅熔融。
关键词:栅击穿阈值电压漂移积累损伤硅熔融
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。
IGBT失效机理分析--第1页
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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天生的SIO,有时还迭加其他的氧化物层,例如SiN,
234
AlO。通常设计这层SiO的厚度ts:
232
微电子系统:ts1000A电力电子系统:ts≥1000A。
19
SiO,介质的击穿电压是1×10V/m。那么,MOS栅极的击穿电压是100V左右。
2
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的尽缘
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。
假如这种“摸死”题目不解决,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,预备了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,题目就基本解决。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——一种可能隐躲的失效模式
IGBT失效机理分析--第2页
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MOS管的阈值电压Vth的方程式:
(1)
式中V=表面态阈值电压,V=本征阈值电压,
SShh
常数
(费米势),N=硅衬底杂质浓度。
图2是栅电压V和栅电容C的C—V曲线,曲线上的箭头表时扫描方向。
GO
由图2可见。C—V曲线是一条迟滞回路,该回路包络的面积即是表面态电荷,Q是由Si—SiO
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