技術干貨|功率場效應管過壓失效機理及典型特征分析

　　失效分析最常觀察到的現(xiàn)象是EOS過電失效，分為過壓失效及過流失效的兩種失效模式。對于以功率器件為代表的EOS過電失效樣品，其失效表征往往表現(xiàn)為芯片的大面積熔融，導致難以進一步判定其失效模式。
 

　　本文以常規(guī)MOS、IGBT場效應管為例，從芯片內(nèi)部結構進行分析和明確過壓擊穿容易出現(xiàn)的失效位置及機理解釋。
 

　　承壓結構分析根據(jù)芯片結構圖示，可見芯片關閉時，承受偏壓的結構主要包括柵氧、PN交界面(橙色箭頭分布區(qū)域)。

　　不同承壓位置分析
 

　　1、元胞區(qū)柵氧與PN交界面耐壓分析分析
 

　　單個元胞，可見承壓主要由N-區(qū)耗盡層承擔。耗盡層的存在，使得電壓被均勻分擔到該面積區(qū)域內(nèi)。
 

　　實物芯片均由以上單個元胞(四方形、六角形、長條形等)重復排列組成，因此只要相鄰P區(qū)足夠近，耐壓導致的耗盡層就會重疊，最終表現(xiàn)為整個元胞區(qū)耗盡層底面近似平面。耗盡層將柵氧、PN交界面包覆在內(nèi)，承壓主要由耗盡層實現(xiàn)。
 

　　2、元胞區(qū)平面結與終端柱形結耐壓分析
 

　　芯片最終耐壓考量轉(zhuǎn)化為元胞耗盡層平面(平面結)與終端耗盡層曲面(柱形結)耐壓能力的對比。
 

　　目前業(yè)內(nèi)針對耗盡層耐壓能力的研究，主要借助泊松方程推算，最終得到耐壓與曲率半徑、耗盡層寬度的關系式。由于耗盡層寬度遠高于曲率半徑，因此算得柱形結耐壓強度遠低于平面結。(Fundamentals of Power Semiconductor Devices. B. Jayant Baliga.P107~111)從常理也不難理解，側面P摻雜主要為向下?lián)诫s的副產(chǎn)物，其厚度及濃度均較低，對應感應產(chǎn)生的耗盡層抗壓能力會弱很多。
 

　　3、終端柱形結與球形結耐壓分析
 

　　擴展到三維結構，還需考慮P區(qū)摻雜兩個柱形結相交球形結。與柱形結同理，球形結位置對應擊穿電壓會更低。并且無論單個元胞形狀如何設計(四方形、六角形、長條型等)，只要距離夠近其內(nèi)部摻雜區(qū)耗盡層均會重疊，最終均表現(xiàn)為最外圍球形結及耗盡層耐壓最差。
 

　　4、終端區(qū)場限環(huán)分析
 

　　總結
 

　　綜合以上分別對元胞區(qū)柵氧、PN交界面，耗盡區(qū)平面結、柱形結、球形結，終端區(qū)場限環(huán)的結構、位置原理分析，可以明確芯片耐壓最脆弱位置往往表現(xiàn)在源區(qū)邊緣，特別是轉(zhuǎn)角位置。失效現(xiàn)象表現(xiàn)為較小面積的燒蝕黑點。
 

　　廣電計量服務能力
 

　　廣電計量在功率晶體管領域積累了豐富的失效失效機理及對應失效表現(xiàn)分析經(jīng)驗，包括但不限于：封裝失效類別及表現(xiàn)、電壓擊穿機理及表現(xiàn)、電流燒蝕機理及表現(xiàn)、柵氧缺陷機理及表現(xiàn)、動態(tài)/靜態(tài)閂鎖機理及表現(xiàn)、雪崩擊穿機理及表現(xiàn)、二次擊穿機理及表現(xiàn)、輻照失效機理及表現(xiàn)，協(xié)助客戶從半導體基礎原理深入分析其失效機理。