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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。

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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

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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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