直流和脉冲工作的VDMOS可靠性试验

直流和脉冲工作的ＶＤＭＯＳ可靠性试验 单尼娜，吕长志，马卫东，李志国，郭春生 （北京工业大学电子信息与控制工程学院可靠性研究室，北京１００１２４） 摘要：基于恒定电应力温度斜坡法（ＣＥＴＲＭ），对工作于直流状态和脉冲状态下的ＶＤＭＯＳ功 率器件进行可靠性研究，考察了器件阈值电压、跨导以及导通电阻的退化情况，得出在两种工作 状态下均是跨导为失效敏感参数。在直流工作状态下，ＶＤＭＯＳ失效激活能为０ ５７ ～ ０ ６８ ｅＶ，寿 命为７ ９７ × １０５ ～ １ １５ × １０７ ｈ；在脉冲工作状态下，ＶＤＭＯＳ失效激活能为０ ６６ ～ ０ ７ ｅＶ，寿命为 ４ ３ × １０５ ～ ４ ６ × １０６ ｈ。对跨导的退化机理进行了。 关键词：纵向双扩散金属氧化物半导体；激活能；寿命；恒定电应力温度斜坡法 中图分类号：ＴＮ３１２４；ＴＮ３０６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３３５３Ｘ （２０１０）０２０１７２０４ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ ＶＤＭＯＳ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｉｎ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｓｔａｔｅ ａｎｄ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｔａｔｅ Ｓｈａｎ Ｎｉｎａ，Ｌü Ｃｈａｎｇｚｈｉ，Ｍａ Ｗｅｉｄｏｎｇ，Ｌｉ Ｚｈｉｇｕｏ，Ｇｕｏ Ｃｈｕｎｓｈｅｎｇ （Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ Ｌａｂ ．，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｄｅｖｉｃｅ ＶＤＭＯＳＦＥＴ ｉｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｔａｔｅ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｅ ｗａｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＣＥＴＲＭ （ｃｏｎｓｔａｎｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｍｐ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅｔｈｏｄ）． Ｔｈｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ＶＴＨ， ｇｍ， Ｒ ｏｎｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ． Ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｍ ｉｓ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎ ｂｏｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔａｔｅｓ ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ＶＤＭＯＳ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｅ ｉｓ ０ ５７ ｔｏ ０ ６８ ｅＶ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｆｅ ｒａｎｇｅ ｉｓ ７ ９７ × １０５ ～ １ １５ × １０７ ｈ；ｔｈｅ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ＶＤＭＯＳ ｉｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｔａｔｅ ｉｓ ０ ６６ ｔｏ ０ ７ ｅＶ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｆｅ ｒａｎｇｅ ｉｓ ４ ３ × １０５ ～ ４ ６ × １０６ ｈ ． Ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｇｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＶＤＭＯＳ；ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ；ｌｉｆｅ；ＣＥＴＲＭ ＥＥＡＣＣ：０１７０Ｎ；０１７０Ｊ ０ 引言 ＶＤＭＯＳ场效应功率晶体管是一种电压控制型电 流垂直流动的双扩散ＭＯＳ器件。它具有高输入阻 抗、低驱动功率、高开关速度、负温度系数等优点， 并且没有双极型功率晶体管的二次击穿问题，安全 工作区大。因此，ＶＤＭＯＳ是一种应用广泛的器件， 无论是开关应用还是线性应用均有很好的效果。 目前对恒定电应力、序进温度应力下ＶＤＭＯＳ 性能及参数退化的研究文献较少。本文通过恒定电 应力、序进温度应力，即恒定电应力温度斜坡法 （ＣＥＴＲＭ）加速寿命试验方法［１］考察了直流工作状 态和脉冲工作状态下ＶＤＭＯＳ性能及参数的退化， 基于其参数退化曲线推导出ＶＤＭＯＳ的寿命，并对 两组试验进行分析比较。 １ 试验 １ １ 工作于直流状态下的ＶＤＭＯＳ试验 试验选择ＴＯ２０４ＡＡ封装ｎ沟道ＶＤＭＯＳ场效应 晶体管６只，编号１ ＃ ～ ６ ＃ 。试验首先对样品在 ３００ ℃高温老化２４ ｈ，之后缓慢降至室温。高温老 化的目的是消除在以后的试验中温度对样品电参数 漂移的影响。 （１）电应力条件：原理图如图１所示，漏源电 流ＩＤＳ ＝ ０ ８ Ａ。（２）温度应力条件：温箱采用ＤＥＳＰＡＴＣＨ ９００ 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 ｄｏｉ：１０ ３９６９ ／ ｊ  ｉｓｓｎ １００３３５３ｘ ２０１０ ０２ ０１９ １７２ 半导体技术第３５卷第２期 ２０１０年２月 图１ 工作于直流状态下的电应力偏置系统原理框图 Ｆｉｇ １ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｅ 系列９２４Ｅ，其整个温箱内部控温精度为± ０ ３ ℃， 温箱的数字显示区的数字显示精度为± ０ １ ℃。经 红外热像仪测量，确定器件芯片与管壳的温差为 ２５ ℃。试验测量，管壳温度（Ｔ ｊ）与温箱温度（Ｔ１）符合一个线性关系： Ｔ ｊ ＝ （１ ０４ × Ｔ１ － ０ ４４）℃。故器件的自升温为红外测试的结到壳的 温差和壳与温箱的温差的总和。在各温度点，ΔＴ ＝ （２５ ＋ ０ ０４ × Ｔ１ － ０ ４４）℃。温箱初始温度Ｔ０为 ７１ ℃，升温速率β＝ ４ ℃ ／ ２４ ｈ。（３）测试条件：测试前，在正常大气条件下恢 复２ ～ ４ ｈ。测量输出特性曲线、转移特性曲线、导 通电阻，其关键参数阈值电压Ｖ ｔｈ、跨导ｇｍ 可从输出特性曲线或者转移特性曲线中求取。 （４）失效判据：处理本试验的数据，可得到多 个参数的退化曲线，选取最先达到失效判据的参 数，作为失效敏感参数。ＶＤＭＯＳ失效判据为：ΔＭ ＞ ２０％ Ｍ０。 １ ２ 工作于脉冲状态下的ＶＤＭＯＳ试验 试验选择ＴＯ２０４ＡＡ封装ｎ沟道ＶＤＭＯＳ场效应 晶体管６只，编号７ ＃ ～ １２ ＃ 。同样首先对样品在 ３００ ℃高温老化２４ ｈ。 （１）电应力条件：原理图如图２所示。①栅极 施加电压ＶＧＳ条件： Ｖｐｐ ＝ ７ Ｖ，频率为１２５ ｋＨｚ，占空比为２５％的脉冲电压，②漏源电流ＩＤＳ ＝ １ ５ Ａ。 图２ 工作于脉冲状态下的电应力偏置系统原理框图 Ｆｉｇ ２ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｔａｔｅ （２）温度应力条件：试验采用的温度控制系统 是由欧陆３５０４温控仪、周波数调功控制模块、固 态继电器、热电偶，温度补偿导线和加热铜块组成 的加热平台，控温精度在± ０ ５ ℃以内。加热平台 初始温度Ｔ０设为７５ ℃，升温速率β＝ ５ ℃ ／ ２４ ｈ。经红外热像仪测量，确定器件自升温为３０ ℃。 （３）测试条件：为缩短试验周期，本试验采用 在线测量的方法测量样品的电学参数。每隔１０ ℃ 测试一次，断电恒温测量。 测试中，器件参数退化一方面是施加的温度应 力和电应力造成的；另一方面是由器件本身的温度 特性引起变化。因而，需要在正式试验前，测量样 品的温度特性曲线，之后将正式试验值与其比较， 得出有效退化量。从７５ ℃开始，每３０ ｍｉｎ升高 １０ ℃并保持３０ ｍｉｎ，随后每隔１０ ℃测试样品的电 学参数，得到样品的温度特性曲线。 （４）失效判据：同样选取最先达到失效判据的 参数，作为失效敏感参数。ＶＤＭＯＳ 失效判据为 Ｍ － Ｍ［Ｔ（ｔ）］ Ｍ［Ｔ（ｔ）］ ＞ ２０％。式中：Ｍ为试验过程中测得 的跨导值；Ｍ［Ｔ（ｔ）］对应温度特性曲线上各温度点 的值。 １ ３ 试验电路图 试验系统中采用ＴＲＡＤＥＸ ＭＰＳ３０２直流稳压稳 流电源提供漏源电压，ＫＥＩＴＨＬＥＹ ２４００数字电源经 电位器调节提供栅源电压。同时，在电路中使用 ５Ω／ １０ Ｗ的电阻ＲＬ作为限流电阻。脉冲试验电应力偏置系统电路图如图２所示， 使用ＳＧ３５２４作为脉宽调制器（ＰＷＭ）芯片电路提供 栅源脉冲电压。通过滑动变阻器Ｒ１、电阻Ｒ ｔ和电容 Ｃ ｔ，调节输出脉冲电压值、频率及占空比以满足实验 。ＶＤＭＯＳ的漏端同样使用５Ω／ １０ Ｗ的电阻作为限流电阻。 ２ 试验结果及分析 ２ １ 试验结果 在直流工作试验中，ＶＤＭＯＳ跨导的退化达到失 效判据２０％时，阈值电压退化为２ ３％，导通电阻退 化为９ ５％。可见，跨导的退化首先达到了失效判 据。可以得出，在直流工作状态下，ｇｍ 退化是功率 ＶＤＭＯＳ的主要失效模式，因此以ｇｍ 的退化作为失效判据。 由脉冲工作试验结果看出，在脉冲工作试验中， ＶＤＭＯＳ跨导的退化达到失效判据２０％时，阈值电压退 单尼娜等：直流和脉冲工作的ＶＤＭＯＳ 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 可靠性试验 Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１０ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ ３５ Ｎｏ２ １７３ 化最大为１９４％，导通电阻退化为１０％。因此，同样可 以得出工作于脉冲状态下的ＶＤＭＯＳ，ｇｍ退化是主要失效模式，以ｇｍ的退化作为失效判据。上述试验的跨导典型退化曲线如图３和图４所示。 图３ 直流状态下ＶＤＭＯＳ ５ ＃样品跨导退化曲线 Ｆｉｇ ３ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ５ ＃ ｇｍ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｅ 图４ 脉冲状态下ＶＤＭＯＳ ８ ＃样品跨导退化曲线 Ｆｉｇ ４ Ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ８ ＃ ｇｍ ｉｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｔａｔｅ ２ ２ 试验分析 跨导退化分析：跨导是征ＶＤＭＯＳ器件特征的 重要参数，它的性能与氧化层界面附近缺陷的散射 作用对沟道载流子有效迁移率的影响有关。氧化层 界面陷阱电荷是沟道内可动载流子的散射中心，这 种散射降低了载流子的表面迁移率，从而使跨导下 降［２］。 在直流试验和脉冲试验中，栅极加正偏压使得 ＶＤＭＯＳ出现反型并且费密能级高于受主界面陷阱， 电子填充受主陷阱呈负电性，界面陷阱出现负的附 加电荷。温度会引起费密能级ＥＦ在禁带中相对位置的变化。当费密能级在禁带中扫过界面陷阱能级 时，也将改变界面陷阱中电子的填充情况［３］。随着 温度的升高，费密能级向禁带中央移动，使得更多的 电子填充界面陷阱。 基于上述分析，加正偏压以及升高温度均使得 ＶＤＭＯＳ界面陷阱电荷增加，即增加了沟道内可动载 流子散射中心，降低了器件的跨导。 ３ 寿命预计 ＣＥＴＲＭ理论模型为［１］ ｄＭ ｄ ｔ ＝ Ａｊ ｎＶｍｅｘｐ（－ ＥｋＴ ） （１） 式中：Ｍ 为电子器件的失效敏感参数； ｔ 为试验时 间；ｄＭ ／ ｄ ｔ 为参数的退化速率； Ａ 为常数； ｊ 为电 流密度； Ｖ为电压； ｎ 为电流密度幂指数因子； ｍ 为电压幂指数因子； Ｑ为失效激活能； ｋ 为波尔兹 曼常数； Ｔ为试验温度。 ３ １ 失效机理一致性判定 加速寿命试验的理想情况应该是高应力水平作 用下的器件退化规律与正常应力水平下的退化规律 相同，唯一不同的是时间加速。因此，加速试验的 前提是在加速过程中保持失效机理的一致性［４］。 以５ ＃样品和８ ＃样品为例，根据文献［５］中 判定失效机理一致性的方法，得出在直流工作试验 中，５ ＃样品在７９ ～ １８３ ℃失效机理保持一致（见 图５）。同样的方法可以得出，在脉冲工作试验中， ８ ＃样品从７５ ℃至２０５ ℃试验结束，失效机理未发 生改变（见图６）。 图５ 直流状态下ＶＤＭＯＳ ５ ＃样品失效机理一致性判别 Ｆｉｇ ５ Ｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ５ ＃ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｅ 图６ 脉冲状态下ＶＤＭＯＳ ８ ＃样品失效机理一致性判别 Ｆｉｇ６ Ｆａｉｌｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ８ ＃ ｉｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｔａｔｅ 单尼娜等：直流和脉冲工作的ＶＤＭＯＳ 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 可靠性试验 １７４ 半导体技术第３５卷第２期 ２０１０年２月 ３ ２ 失效激活能 同一失效机理对应的失效激活能是相同的。理 想的加速寿命试验只是加速器件失效敏感参数的退 化，而不改变其失效机理。因此，如果加速过程中 试验样品的失效机理不发生改变，那么其对应的失 效激活能Ｑ在此温度范围内也将是恒定的。 根据文献［６７］中评价半导体器件失效激活 能的办法，可以得出，在失效机理保持一致的范围 内，工作于直流状态下的ＶＤＭＯＳ样品失效激活能 为０ ５７ ～ ０ ６８ ｅＶ；工作于脉冲状态下的ＶＤＭＯＳ样 品失效激活能为０ ６６ ～ ０ ７ ｅＶ。 ３ ３ 寿命的计算 根据Ｗ． Ｂ ． Ｎｅｌｓｏｎ［８］提出的积累损伤模型， 器件的剩余寿命仅仅与器件当时的损伤情况和将要 对其施加的应力条件有关，而与其损伤是如何积累 的无关。并且，加速条件下和正常工作条件下，器 件的失效判据是一样的，即达到失效时器件的损伤 累积量是相等的，所不同的仅仅是加速系数不同， 即参数的退化速率不同，因此 ΔＭ ＝ΔＭ０ （２）式中：ΔＭ 为试验条件下在失效机理保持一致的温度范围内敏感参数的退化量；ΔＭ０为工作条件Ｔ０下的敏感参数的退化量。 其中 ΔＭ ＝ ｔ ０ ＡｊｎＶｍｅｘｐ（－ ＱｋＴ）ｄ∫ ｔ ＝ １ β Ｔ２ Ｔ１ ＡｊｎＶｍｅｘｐ（－ ＱｋＴ）ｄ∫ Ｔ （３） ΔＭ０ ＝ ｔ ０ ＡｊｎＶｍｅｘｐ（－ ＱｋＴ０）ｄ∫ ｔ ＝ ＡｊｎＶｍｅｘｐ（－ ＱｋＴ０）ｔ （４）将式（３）和（４）带入式（２）并整理可得外 推常温下的工作寿命的公式 ｔ ＝ Ｔ２ Ｔ１ ｅｘｐ（－ ＱｋＴ）ｄ∫ Ｔ βｅｘｐ（－ ＱｋＴ０） （５） 当敏感参数的退化量ΔＭ 达到失效判据时，（５）式中的ｔ 即为常温Ｔ０下试验样品的寿命。在室温２７ ℃时，直流工作状态下ＶＤＭＯＳ 寿命范围为 ７ ９７ × １０５ ～ １ １５ × １０７ ｈ；脉冲工作状态下ＶＤＭＯＳ 寿命范围为４ ３ × １０５ ～ ４ ６ × １０６ ｈ。 ４ 结论 对功率ＶＤＭＯＳ在两种工作状态下进行加速寿 命试验。结果表明，在直流工作试验中，ＶＤＭＯＳ 跨导的退化达到失效判据２０％时，阈值电压退化 为２ ３％，导通电阻退化为９ ５％。在脉冲工作试 验中，ＶＤＭＯＳ 跨导的退化达到失效判据２０％时， 阈值电压退化为１ ９４％，导通电阻退化为１０％。 因此，在两种工作状态下，均以跨导ｇｍ 作为 ＶＤＭＯＳ的失效敏感参数。对于本试验所采用的 ＶＤＭＯＳ样品，根据上述试验结果得出：直流工作 状态下与脉冲工作状态下器件的失效机理相同；两 种工作状态下，失效激活能范围分别为［０ ５７ ｅＶ， ０ ６８ ｅＶ］和［０ ６６ ｅＶ，０ ７ ｅＶ］，其失效激活能范 围基本一致；寿命范围分别为［７ ９７ × １０５ ｈ， １ １５ × １０７ ｈ］和［４ ３ × １０５ ｈ， ４ ６ × １０６ ｈ］，器件 的寿命相近。ＶＤＭＯＳ跨导退化的原因为，正偏压 以及升高温度的条件下，ＶＤＭＯＳ界面陷阱电荷增 加，即增加了沟道内可动载流子散射中心，使得器 件的跨导退化。 参考文献： ［１］郭春生．半导体器件加速寿命新方法的研究［Ｄ］．北京： 北京工业大学，２００６ ． ［２］高光勃，李学信．半导体器件可靠性物理［Ｍ］．北京：科 学出版社，１９８７：２３０２３１ ． ［３］郭维廉．硅二氧化硅界面物理［Ｍ］．北京：国防工业出版 社，１９８９：８２８６ ． ［４］ＨＵ Ｊ Ｍ，ＢＡＲＫＥＲ Ｄ，ＤＡＳＧＵＰＴＡ Ａ，ｅｔ ａｌ ． Ｒｏｌｅ ｏｆ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｔｅｓｔｉｎｇ［Ｊ］． Ｊ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＳ，１９９３（２１２３）：３９４５ ． 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