重金屬摻雜硅平面外延開關三極管失效分析技術研究

曹德峰，張 穎，崔 帥，李志勇，胥佳靈，盧 健

（1.上海微小衛星工程中心，上海 201203；2.中國科學院微小衛星重點實驗室，上海 201203；3.上海精密計量測試研究所，上海 201109）

重金屬摻雜硅平面外延開關三極管失效分析技術研究

曹德峰1,2，張 穎3，崔 帥1,2，李志勇1,2，胥佳靈1,2，盧 健1,2

（1.上海微小衛星工程中心，上海 201203；2.中國科學院微小衛星重點實驗室，上海 201203；3.上海精密計量測試研究所，上海 201109）

對航天某型號選用3DK104D型NPN硅外延平面小功率開關三極管補充篩選試驗中參數超差問題進行了分析，采用非破壞和破壞性分析相結合的技術，對硅基開關晶體管的失效機理進行了研究，最終得出參數超差屬批次性質量問題，予以剔除。

開關三極管；摻雜工藝；航天型號工程；失效分析

引言

目前，第三代半導體材料已開發并應用。各類半導體材料均有其自身特點。第一代半導體材料主要是硅、鍺元素的半導體材料。第二代半導體材料主要是化合物半導體材料，如二元化合物砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)、磷化銦(InP)；三元化合物GaAs Al、GaAs P；固溶體半導體如Ge-Si、GaAs-GaP；還有玻璃半導體、有機半導體等。InP、GaAs等材料適合于適合制備高速、高頻、大功率以及發光電子器件。第三代半導體材料主要是碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、金剛石為代表的禁帶半導體材料， SiC技術較為成熟、GaN技術次之。與第一、第二代半導體材料相比，第三代半導體具有寬的禁帶寬度，高的擊穿電場、高的熱導率、高的電子飽和速率以及更高的抗輻射性能，更加適合于制備高溫、高頻、抗輻射以及大功率器件，通常被稱為寬禁帶半導體材料（禁帶寬度大于2.2 eV），也被稱為高溫半導體材料[1]。

上述三代半導體材料制備的器件，在航天型號工程均有應用。其中，第二代、第三代產品由于其性能優良，應用逐漸增多。因航天型號工程產品自身特點，硅基半導體器件仍然有其應用空間。航天型號產品功能完好且可靠性較高，需要各個方面綜合協調，需要各個方面相匹配。硅平面外延開關三極管作為一種開關管，由于某些型號單機中與其他元器件匹配性較好、兼容性較好，部分型號產品在原來應用的基礎上繼續沿用。近年來,硅器件性能逐漸成熟且穩定,具有耐高溫、反向電流小以及能采用平面技術使表面鈍化,而得到穩定可靠的性能[2]。外延技術與平面技術結合制成的平面外延管具有優點較多,如飽和壓降小、反向擊穿電壓高、小電流增益大、開關速度快和功率較大等。

航天型號工程的應用中應用硅平面外延開關三極管，其產品可靠性對單機或系統有一定程度的影響。因而，本文針對重金屬摻雜NPN硅外延平面小功率開關三極管失效問題進行研究，找出器件失效機理，判斷失效為個例還是批次性質量問題，對型號產品可靠性具有一定的指導意義，對型號元器件選型、應用等方面具有一定的參考意義。

1 問題概述

航天某型號選用3DK104D型NPN硅外延平面小功率開關三極管，器件質量等級SAST，共計241只。在補充篩選試驗過程中，241只器件中發現6只晶體管ICEO參數超差。其中，5只失效環節是在高溫反偏試驗后常溫測試，ICEO數值分別為2 000.6 nA、2 000.6 nA、2 000.6 nA、2 000.6 nA和1 612.7 nA（手冊要求VCE=30 V時，ICEO≤1 000 nA）；1只老煉后測試發現，ICEO數值為1 995.3 nA。補充篩后總批允許不合格率（PDA）為2.49 %，小于該型號PDA技術控制要求（該型號PDA要求為<5 %）。但懷疑該批次晶體管ICEO偏離規定值較大，懷疑該批次器件存在批次性質量問題，因而對該批次補充篩選參數超差器件進行失效分析，并對篩選合格數據進行相應分析，保證型號用元器件的可靠性。

圖1 開關三極管失效分析方案示意圖

2 元器件失效分析

2.1 失效分析方案制訂

元器件失效分析遵循從非破壞到破壞的原則，了解元器件失效現象的前提下，合理制定分析方案。因型號工程本身具有不可維修性等特點，對元器件可靠性要求較高，且失效器件具備稀少甚至唯一的特點，失效分析方案需合理制定，能夠準確找出失效原因，明確失效機理，分析元器件失效屬于個例還是批次性問題。本NPN硅外延平面小功率開關三極管失效分析方案如圖1所示。

2.2 失效分析

2.2.1 非破壞性檢查

依據GJB 128A-1997《半導體分立器件試驗方法》相關標準，對失效器件進行外部目檢、顆粒碰撞噪聲檢測（PIND）試驗和密封試驗檢測，未發現明顯異常，試驗結果均為合格。接著對補充篩選異常器件進行電流間直流特性測試，利用B1505功率器件分析儀/曲線追蹤儀對失效品ICEO~VCE曲線進行復測，并選取同批次良品進行對比測試，測試結果分別如圖2所示，初步認為晶體管CE間反向漏電過大導致ICEO參數超差失效。

2.2.2 破壞性檢查

對失效器件開帽并進行內部鍵合情況檢查，體式顯微鏡下獲得的晶體管內部形貌如圖3 所示。樣品內部鍵合完整，鍵合絲無燒毀或熔斷痕跡，芯片整體形貌如圖4所示，內部目檢未見明顯異常。

2.2.3 問題分析

查閱可靠性中心檢驗記錄，發現進行補充篩選的其余235只樣品中，存在10只晶體管雖然篩選合格，但高溫反偏前、后參數變化過大，變化結果如表1所示。高溫反偏后測試合格，但老煉后測試不合格的33#晶體管，老煉后測試結果為794.2 nA，參數異常。選取篩選合格但高溫反偏后ICEO參數變化較大的四只晶體管，利用B1505功率器件分析儀/曲線追蹤儀對ICEO~VCE進行測試，曲線如圖5所示。測試結果表明晶體管參數雖未超差，但特性變差，且曲線變化趨勢與已發生參數超差失效晶體管結果相似。

圖2 失效器件ICEO～VCE關系曲線

表1 高溫反偏前后未失效晶體管ICEO參數變化(nA)

圖3 失效器件內部鍵合情況及整體形貌

圖4 失效器件內部芯片形貌

圖5 高溫反偏前后部分未失效器件ICEO～VCE關系曲線

3 失效機理分析

3DK104D型NPN硅外延平面小功率開關三極管，屬于高擊穿高速開關晶體管，在器件制備過程中，存在一對矛盾條件：高擊穿要求外延層有較高的電阻率和厚度，而高速開關則相反，要求盡量低的外延層電阻率和厚度。解決辦法為：①嚴格計算外延層電阻率和厚度；②摻入一定量的重金屬雜質Pt提高開關速度。但摻入Pt后會引起反向漏電流增大、少數產品擊穿參數變差，或是少數產品經過高溫反偏和功率老化試驗后擊穿特性變差。在元器件補充篩選試驗中，高溫反偏、功率老化的應力，使產品在電應力和熱應力的的作用下，少數產品缺陷增大，導致反向漏電流增大。

4 結論

基于元器件失效機理，本論文中晶體管參數超差，實際為制備工藝過程中未能對外延層厚度和電阻率進行合理控制，雖然PDA值符合要求，但屬于批次性質量問題，予以剔除，該批器件航天型號不予使用。

[1]黃潤華,鈕應喜,楊霏,等.碳化硅 MOSFET 柵氧化層可靠性研究[J]. 智能電網, 2015,3(2):99-102.

[2]馬格林,張玉明,張義門,等.一種碳化硅外延層質量評估新技術[J]. 西安電子科技大學學報, 2011, 38(6):43-49.

曹德峰，男，碩士研究生學歷，工程師，主要從事航天型號元器件失效分析。

Research on Failure Analysis of Switching Transistors Applied on Heavy Metal Doped Silicon Planar Epitaxial Technique

CAO De-feng1,2, ZHANG Ying3, CUI Shuai1,2, LI Zhi-yong1,2, XU Jia-ling1,2, LU Jian1,2
(1. Shanghai Engineering Center for Microsatellites, Shanghai 201203; 2. Key Laboratory for Micro Satellites, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203; 3. Shanghai Research Institute of Precision Measuring Physics, Shanghai 201109)

In this paper, the type of 3DK104D NPN silicon epitaxial planar power switch transistors is studied. The problem of out-of-tolerance parameter is analyzed which used both non-destructive and destructive techniques. The failure mechanism of silicon switching transistor were studied, the lot of transistors belong to batch quality problem and can’t be used in Space Project.

switching transistor; doping process; Space Project; failure analysis

V461

B

1004-7204（2017）03-0048-04