中心議題：

• IGBT及其子器件的四種失效模式

解決方案：

• MOS柵擊穿失效模式
• IGBT——MOS閾值電壓漂移
• IGBT壽命期內有限次連續短路脈衝衝擊的累積損傷
• 靜電放電保護用高壓npn管的矽熔融

1、 引言

IGBT及其派生器件，例如：IGCT，是MOS和雙極集成的混合型半導體功率器件。因此，IGBT的失效模式，既有其子器件MOS和雙極的特有失效模式，還有混合型特有的失效模式。MOS是靜電極敏感器件，因此，IGBT也是靜電極敏感型器件，其子器件還應包括靜電放電（SED）防護器件。據報道，失效的半導體器件中，由靜電放電及相關原因引起的失效，占很大的比例。例如：汽車行業由於失效而要求退貨的器件中，其中由靜電放電引起的失效就占約30%。

本文通過案例和實驗，概述IGBT及其子器件的四種失效模式：
（1） MOS柵擊穿；
（2） IGBT——MOS閾值電壓漂移；
（3） IGBT壽命期內有限次連續短路脈衝衝擊的累積損傷

；
（4） 靜電放電保護用高壓npn管的矽熔融。

2、 MOS柵擊穿

IGBT器件的剖麵和等效電路見圖1。

由圖1可見，IGBT是由一個MOS和一個npnp四層結構集成的器件。而MOS是金屬—氧化物—半導體場效應管的簡稱。其中，氧化物通常是矽襯底上氧化而生成的SIO2

，有時還迭加其他的氧化物層，例如Si3N4
，Al2O3。通常設計這層SiO2的厚度ts： 微電子係統：ts<1000A   電力電子係統：ts≥1000A。

SiO2，介質的擊穿電壓是1×1019V/m。那麼，MOS柵極的擊穿電壓是100V左右。

人體產生的靜電強度U：濕度10-20%，U＞18000V；濕度60-90%時，U≥1500V。

上述數據表明，不附加靜電保護的MOS管和MOS集成電路（IC），隻要帶靜電的人體接觸它
，MOS的絕緣柵就一定被擊穿。

案例：上世紀六十年代後期，某研究所研製的MOS管和MOS集成電路。不管是安裝在印刷電路板上還是存放在盒中的此種器件
，都出現莫名其妙的失效。因此

，給MOS一個綽號：摸死管。

如果這種“摸死”問題不解決
，我國第一台具有自主知識產權的MOS集成電路微型計算機就不可能在1969年誕生。經過一段時間的困惑，開始懷疑靜電放電的作用。為了驗證，準備了10支柵極無任何防護的MOS管，用晶體管特性測試儀重新測試合格後，即時將該器件再往自己身上摩擦一下再測特性
，結果發現：100%柵擊穿！隨後，在MOS管的柵極一源極之間反並聯一個二極管，問題就基本解決。意外的結果：“摸死管”成了一句引以為戒的警語。該研究所內接觸和應用MOS管MOS-IC的同事，對靜電放電對器件的破壞性影響都有了深刻的體驗。

3、 IGBT——MOS閾值電壓漂移——一種可能隱藏的失效模式

MOS管的閾值電壓Vth的方程式：      
式中，V_SS=表麵態閾值電壓，V_hh =本征閾值電壓，常數，(費米勢)，N=矽襯底雜質濃度。
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圖2是柵電壓VG和柵電容CO的C—V曲線
，曲線上的箭頭表時掃描方向。

由圖2可見。C—V曲線是一條遲滯回路，該回路包絡的麵積等於表麵態電荷
，QSS是由Si—SiO2界麵缺陷和正電荷離子引起的。而且，Si—SiO2界麵的QSS始終是正的。即VSS總是向VITH正向移動。這就決定了溝增強型MOS管和P溝數字集成電路容易實現。

為了減小QSS和防止SiO2——Si界麵電荷交換與移動，引起閾值電壓漂移，采取了許多措施：
（1） 將<111>矽襯底換為<100>矽襯底，減小矽表麵的非飽和鍵
；
（2） 製備工藝中使用的石英器皿
，氣體和化學試劑均提升純度級別，盡量減小Na離子的汙染含量


；
（3） 研發新的絕緣柵介質係列：
          ·Si3N4——Si，Si3N4——SiO2——Si
；
          ·Al2O3——Si，Al2O3——SiO2——Si。

以上措施
，對低壓微功耗的微電子的應用，已證明MOS與MOSIC是可靠的。但是對於電力電子應用的場合：高電壓，大電流和工作溫度範圍較寬。特別是，靜電放電電壓接近柵極擊穿電壓而又未穿柵極時

，例如上文所示接近100V時，仍有隱憂：

（1） 較高柵電壓下
，閾值電壓漂移較大，圖3示出P溝矽柵MOS在高柵電壓下的。由圖3可見
，柵電壓V_G=40V時，=4V。

（2） PT—IGBT在高溫柵偏壓下閾值電壓漂移。圖4給出PT—IGBT（IRG4BC20F）在（1）柵已射極Gge=20V

，Vce=OV（HTGB）和（2）Vge=0V，Vce=0.8V(HTRB)在140℃
，經過1200小時的應力試驗結果。由圖4中的HTGB曲線可見
，柵偏置試驗開始後100小時內，時線性增加，隨後趨於穩定。

（3） 電可擦隻讀存貯器（electrically erasable read-only memory
，簡稱EEROM）的存貯單元是氮化矽（Si3N4）—二氧化矽(SiO2)構成的雙層絕緣柵的MOS管，它利用柵極注入電荷來改變ROM存貯單元的狀態。
（4） MOS是一種單極
，多數載流子器件，按半導體器件理論，它的抗輻射，主要是抗γ射線的能力應該比雙極、少數載流子器件強，但是，實際情況剛相反。這說明MOS的絕緣柵結構在輻射場下有較大的損傷和電荷交換。
（5） 以上4種情況說明，MOS閾值電壓漂移在電力電子的應用條件
，即高電壓（接近柵擊穿電壓）
、大電流和高溫（接近pn結臨界溫度150℃）時，是一種導致器件和電路失效的潛在參數，似乎仍需係統考察和修訂老化條件。所以，將稱作是一種可能隱藏的失效模式。
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4、 IGBT壽命期限內，有限次數短路脈衝衝擊的累積損傷失效

在壽命期限內，IGBT會遇到在短路
、雪崩等惡劣條件下工作
，它能承受短路脈衝衝擊的次數是有限的，並和相關條件有關。

4.1非穿通型（NPT）IGBT的魯棒性

NPT—IGBT的魯棒性見圖5，被測器件是SGW15N120。在540V 125℃時測試。X軸是耗散的能量。Y軸是器件直至損壞的短路周期次數。

由圖5可見，在給定條件下，器件有一個臨界能量：  EC=V·I·T_SC=1.95J（焦耳）

式中，T_SC是短路持續時間，
當E>EC時

，第一次短路就使器件失效。
當E<EC時，大約要經曆104次短路以上，器件會因周期性的能量累積退化使它失效。
當E=EC時
，器件失效模式不明確。當能量等於或稍等於EC時，器件關斷後，器件的拖尾電流，經過一段延遲時間td f 
，將導致熱擊穿。這段延緩性失效時間為微秒級。

圖6給出不同短路續時間TSC，IGBT測量的短路電流波形。

由圖6可以看出：
（1） 緊隨器件關斷後
，初始拖尾電流電平（lio）直zhi至zhi失shi效xiao的de延yan遲chi時shi間jian是shi由you能neng量liang決jue定ding的de
，或huo者zhe說shuo由you器qi件jian關guan斷duan後hou的de溫wen度du決jue定ding的de。能neng量liang越yue大da，拖tuo尾wei電dian流liu電dian平ping也ye越yue高gao，失shi效xiao的de延yan遲chi時shi間jian則ze越yue短duan。例li如ru
，圖tu中zhong給gei出chu的de最zui大da能neng量liang是shiTsc=60us，這時，Tds趨向一個極小值。
（2） 當T_sc=33us時，屬於E<EC狀態，不發生延遲失效。當T_sc=35us，T_ds=25us
，開始出現熱擊穿。

4.2管殼溫度的影響

管殼溫度對臨界能量EC的影響最大，管殼溫度升高，EC就下降
，測量SGW15N60的結果是：
溫度：25℃—>125℃
； EC：0.81J—>0.62J

4.3集電極電壓的影響

集電極電壓升高，EC就下降：
VC：250V—>540V；EC：2.12J—>1.95J
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4.4穿通型（PI）IGBT

PT—IGBT的短路失效特性和NPT—IGBT類似
，但是，臨界能理值EC比NPT—IGBT低。例如：在125℃

，短路電壓Vsc=400V時：
600V PT—IGBT（IRGP20u）：EC=0.37J
600V NPT—IGBT(SGW15N60)：EC=0.62J

4.5結果

（1）每次短路周期耗散的能量E小於由被測電路電壓Vce、短路持續時間Tsc和管殼溫度決定的臨界能量Ec時，IGBT可以連續承受104次以上短路衝擊才失效。
（2）在可比的條件下
，當E>EC時，一次短路就失效。
（3）NPT—IGBT比PT—IGBT能承受較大的能量衝擊。

5、靜電放電保護用高壓NPN管的矽熔融

在失效的矽器件表麵
，常常觀察到矽熔融，而導致矽熔融的原因卻不隻一個。例如：器件短路和開關時的瞬間大電流
，正向工作區域或熱工作區出現二次擊穿損傷等到。因此要對靜電敏感的器件和電路的輸入/輸出（I/O）端增設靜電放電（ESD）保護裝置。而ESD保(bao)護(hu)裝(zhuang)置(zhi)的(de)器(qi)件(jian)的(de)矽(gui)熔(rong)融(rong)
，也(ye)是(shi)使(shi)被(bei)保(bao)護(hu)的(de)器(qi)件(jian)和(he)電(dian)路(lu)失(shi)效(xiao)的(de)原(yuan)因(yin)之(zhi)一(yi)。在(zai)本(ben)文(wen)引(yin)言(yan)中(zhong)曾(zeng)提(ti)到(dao)汽(qi)車(che)應(ying)用(yong)的(de)器(qi)件(jian)，其(qi)中(zhong)原(yuan)因(yin)失(shi)效(xiao)要(yao)退(tui)貨(huo)的(de)數(shu)量(liang)中(zhong)
，有(you)30%的失效與ESD有關。由於I/O端的規範不同，需要及時對器件和電路進行再設計。同時，為了減少試驗成本
，提高可靠性，需要采用計算機輔助設計技術（TCAD）。

圖7是晶體管的正向擊穿特性
，圖7中的VT·是器件的損傷點，其定義有以下三種設定：
（1） 器件的漏泄電流大於某一臨界值即定為器件失效。但它忽略了矽熔融和氧化層的擊穿；
（2） 器件出現強烈電壓崩潰的二次擊穿時定為器件失效
，但有時器件達到大電流範圍也不出現二次擊穿。
（3） 當器件的載流子碰撞電離Gi等於肖克萊—裏德—霍爾（Shockley—Read—Hall）複合率，同時，總電流隨電壓反向增加時定為器件失效。

為了驗證第（3）種假設
，予測二次擊穿管點
，用0.35um特征尺寸的功率集成電路工藝設計了ESD防護用的標準高壓NPN管，並將基極—發射極接地。

圖8是NPN管測量的和用（2）假定來模擬的I-V特性。由圖8可見
，測量的損傷電流IT2=1.5A,而模擬值是1..8A，有較大誤差。
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圖9是用（3）假設外推的結果。其模擬值是1.52A，相當一致。

圖10是1A電流應力下

，模擬顯示該器件有兩個熱點。一個在收集極觸點下，損傷電流IT2=1.52A；另一個熱點在發射極之下，用外推法算出的損傷電流遠大於2A。所以
，首先出現導致失效的矽熔融點應在收集極。

圖11是該器件失效照片。證明此結果。

本案例說明：（1）ESD防護器件的失效也是實際器件和電路失效的一種模式。（2）防護用的NPN管的損傷點可以用TCAD獲得。