IGBT及其子器件的几种失效模式
摘要：本文通过案例和实验，概大电流电感述了四种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。
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生成的SIO2，有时还迭加其他的氧化物层，例如Si3N插件电感4，Al2O3。通常设计这层SiO2的厚度ts：
微电子系统：ts<1000A电力电子系统：ts≥1000A。
SiO2，介质的击穿电压是1×1019V/m。那么，MOS栅极的击穿电压是100V左右。
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集成电一体成型电感路（IC），只要带静电的人体接触它，MOS的绝缘栅就一定被击穿。
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。
如果这种“摸死”问题不解决，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，准备了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，问题就基本解决。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——一种可能隐藏的失效模式
MOS管的阈值电压Vth的方程式：
（1）
式中VSS=表面态阈值电压，Vhh =本征阈值电压，
常数
(费米势)，N=硅衬底杂质浓度。
图2是栅电压VG和栅电容CO的C—V曲线，曲线上的箭头表时扫描方向。
由图2可见。C—V曲线是一条迟滞回电感位移传感器路，该回路包络的面积等于表面态电荷，QSS是由Si—SiO2界面缺陷和正电荷离子引起的。而且，Si—SiO2界面的QSS始终是正的。即VSS总是向VITH正向移动。这就决定了沟增强型MOS管和P沟数字集成电路容易实现。
为了减小QSS和防止SiO2——Si界面电荷交换与移动，引起阈值电压漂移，采取了许多措施：
（1） 将<111>硅衬底换为<100>硅衬底，减小硅表面的非饱和键；
（2） 制备工艺中使用的石英器皿，气体和化学试剂均提升纯度级别，尽量减小Na离子的污染含量；
（3） 研发新的绝缘栅介质系列：
·Si3N4——Si，Si3N4——SiO2——Si；
·Al2O3——Si，Al2O3——SiO2——Si。
以上措施，对低压微功耗的微电子的应用，已证明MOS与MOSIC是可靠的。但是对于电力电子应用的场合：高电压，大电流和工作温度范围较宽。特别是，静电放电电压接近栅极击穿电压而又未穿栅极时，例如上文所示接近100V时，仍有隐忧：
（1） 较高栅电压下，阈值电压漂移较大，图3示出P沟硅栅MOS在高栅电压下的。由图3可见，栅电压VG=40V时，=4V。 平面变压器厂家 | 平面电感厂家
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