100 V 溝槽MOS 器件的動態雪崩失效分析

冉 飛,馮全源

(西南交通大學 微電子研究所,四川 成都 611756)

功率MOS 器件正越來越廣泛地應用在各類汽車系統中,如電子控制單元、交流發電機等,這些應用中都存在著如螺線管或者雜散電感之類的感性負載[1-3],這些感性負載迫使功率器件在關斷期間進入雪崩狀態,嚴重影響了器件的可靠性。UIS 測試能夠模擬系統應用中的MOS 器件在感性負載條件下遭遇極端電熱應力的情況[4]。而以往多數UIS 仿真測試都是基于MOS 元胞[5-7],沒有模擬終端帶來的影響和變化,與實際器件的UIS 測試存在一定的差異。

為了研究終端結構對整個器件動態雪崩性能帶來的影響,Soneda 等[8]完成了硅基VDMOS 器件的UIS實測和元胞與終端并聯條件下的UIS 仿真,其結果表明需要保證終端區擊穿電壓(Breakdown Voltage,BV)適當大于有源區BV 才能夠避免在UIS 測試過程中的擊穿點轉移和電壓振蕩,進而提升器件的雪崩耐量。而Yao 等[9]對SiC VDMOS 器件的相關研究則表明當器件終端耐壓高于有源區耐壓時能夠明顯改善器件的雪崩耐量。

目前的研究中,仍然缺少在結合元胞和終端條件下對UIS 測試過程中功率MOS 器件動態雪崩失效機理的詳細分析和解釋,所以本文采用將元胞和終端并聯仿真的方法,在保持元胞耐壓不變的情況下,對兩款溝槽MOS 器件進行了UIS 仿真,一款為終端耐壓不足的失效器件,一款為終端耐壓滿足設計要求的改進器件。通過器件在仿真測試過程中表現出來的電流、電壓以及晶格溫度等特性參數,完成了器件的動態雪崩失效分析和雪崩性能評估。

1 UIS 仿真電路與設置

圖1 為本文應用的UIS 仿真電路及波形圖,其中VDD=50 V,Rg=25 Ω,L=1 mH。在DUT 開啟的時間ton內,電流流經電感負載并且線性增大(DUT 的電阻可以忽略不計),電流達到雪崩電流IAV時,DUT 關斷,因為電感負載的存在,電流不會發生突變,DUT進入雪崩狀態直到電感負載中的能量釋放完畢,能量釋放的時間為tAV。在DUT 關斷之后,VDD仍然對電路供電,并且幾乎完全降落在DUT 兩端。VD是tAV時間段內測得的器件漏極電壓,其為正常擊穿電壓的1.3～1.5 倍[10],這是因為雪崩擊穿電壓呈正溫度系數,而器件在動態雪崩過程中會消耗大量的能量導致結溫迅速升高。

本文的仿真中,元胞和終端的各電極分別接入圖1(a)中UIS 仿真電路的相應節點以實現元胞和終端的并聯,兩者的面積均按照實際版圖尺寸進行設置。

圖1 UIS 仿真電路與波形Fig.1 UIS simulation circuit and waveform

因為仿真中元胞和終端是并聯狀態,所以IAV應當為有源區雪崩電流和終端區雪崩電流之和,有源區和終端區的漏極處于同一電位,同時在雪崩擊穿過程中,有大量熱產生,所以必須加入相應的熱輸運模型來模擬該過程,從而得到器件內的溫度分布,更準確地分析器件的動態雪崩過程。

2 仿真結果與分析

2.1 失效器件的仿真結果與分析

一款設計耐壓為110 V、實際終端耐壓為96.7 V的100 V 溝槽MOS 器件的UIS 實測結果表明,其最大雪崩電流IAV為8 A。基于實際流片工藝,通過Sentaurus TCAD 仿真軟件對該失效器件進行了仿真還原,得到了擊穿電壓為95 V 的結終端擴展(Junction Termination Extension,JTE)結構和擊穿電壓為110 V的溝槽MOS 元胞。因為終端耐壓遠低于元胞耐壓,所以分析認為該器件在UIS 測試中將在終端區發生動態雪崩失效。

圖2(a)和(b)分別為器件發生失效前后的UIS 仿真波形和晶格溫度變化曲線。器件發生失效前的雪崩電流IAV為10.5 A,整個tAV時間段內,雪崩電流主要流經有源區,但是終端區也會存在一定的低電流(≥0.05 A)。同時因為有源區的面積遠大于終端區面積(兩者版圖面積之比約為12 ∶1),并且終端發生的是局部擊穿,所以終端發生局部擊穿區域的雪崩電流密度大于有源區中的雪崩電流密度,從而造成終端區的最大晶格溫度上升速率明顯大于有源區的最大晶格溫度上升速率。

圖2 失效器件的UIS 仿真波形與晶格溫度曲線Fig.2 UIS simulation waveform and lattice temperature curve of failed device

當ton=2.1×10-4s 時,進入雪崩狀態后的瞬間,漏極電壓VD上升到了118 V,元胞和終端都發生了雪崩擊穿,但是終端因為其常溫雪崩擊穿電壓偏低而產生了一個約2.33 A 的高瞬態雪崩電流(高雪崩電流密度),進而導致終端產生了一個40～50 K 的瞬態溫升。隨后,該瞬態雪崩電流迅速減小,但是終端溫度繼續升高,只是其上升速率減緩,當電感存儲能量釋放完畢時,其最大晶格溫度已經達到了600 K。期間,漏極電壓最大值為131 V,約為終端常溫擊穿電壓(95 V)的1.37 倍和元胞常溫擊穿電壓(110 V)的1.19 倍。

當ton=2.1×10-4s 時,整個器件的雪崩電流IAV為11 A,最大漏極電壓為133 V。在整個器件未發生失效前的雪崩過程中,終端區雪崩電流從進入雪崩狀態瞬間的2.35 A 迅速減小,最小值為0.09 A。該過程產生了大量熱,使得終端最大晶格溫度迅速上升,最終從648 K 驟升到876 K,超過了器件的極限溫度650 K[11],終端被燒毀,漏極電壓急劇減小,而漏極電流線性增大,并且全部從終端區流過,器件因為終端區域電流集中而發生能量相關的失效[12]。

終端耐壓不足導致整個器件在UIS 測試中發生能量相關的失效,最大雪崩電流偏低,可靠性較差,所以改進終端結構以提升終端耐壓也是改善器件雪崩性能的必然要求。

2.2 改進器件的仿真結果與分析

因為流片工藝已經確定,本文重新設計了三場限環(Field Limiting Ring,FLR)和場板(Field Plate,FP)的復合終端結構,實現了113 V 的終端耐壓,保持元胞耐壓110 V 不變。據此推測UIS 雪崩過程中,擊穿將主要發生在元胞。溝槽MOS 元胞中存在由n+源區、Pbody、n-外延層構成的寄生npn 晶體管,即寄生雙極結型晶體管(Bipolar Junction Transistor,BJT),流經Pbody 的雪崩空穴電流會產生一個等效電勢,同時雪崩過程中產生的高溫會使得發射結勢壘VBE降低,導致寄生晶體管趨于開啟,器件最終將在有源區發生失效,下面對其進行仿真分析。

圖3 為器件失效時的波形圖和最大晶格溫度變化曲線。雪崩電流值為18.5 A,漏極電壓最大值達到了148 V,約為元胞常溫擊穿電壓的1.35 倍和終端常溫擊穿電壓的1.31 倍。

圖3 改進器件失效時的UIS 仿真波形與晶格溫度曲線(ton=3.7×10-4 s)Fig.3 UIS simulation waveform and lattice temperature curve of improved device when failed (ton=3.7×10-4 s)

在t=4.12×10-4s(即最大漏極電壓處)之前,有源區電流占主導,終端區有一個較低的電流(≤0.43 A),但是在該時間點之后,終端區的電流迅速減小到0 A,電流全部流經有源區,同時有源區最大晶格溫度達到了662 K,超過了硅器件極限溫度,器件有源區發生失效。下面分析該情況下器件的失效機制。

圖4(a)和圖4(b)分別為器件失效時,溝槽MOS元胞和終端內的電流密度分布隨時間的變化情況。t=4.12×10-4s 之前,元胞和終端分別在Trench 拐角和主結柱面結處發生了雪崩擊穿,所以器件的兩個部分都存在一定的雪崩電流,此時還沒有發生寄生BJT 的開啟,流經有源區的雪崩電流全部從Pbody 接觸流出。t=4.12×10-4s 以后,寄生BJT 開始導通,漏極電壓迅速下降,漏極電流幾乎完全流經有源區,而一部分有源區電流也從Pbody 接觸流出逐漸轉移到從n+源區接觸流出。隨著寄生BJT 的進一步開啟,漏極電壓進一步降低,而漏極電流逐漸增大,晶格溫度繼續升高,器件燒毀,即器件發生了由寄生BJT 開啟所導致的電流相關的失效[12]。

圖4 所示為器件內電流密度分布隨時間的變化關系,展示了器件因為元胞中寄生BJT 開啟導致電流失效的整個動態變化過程。當終端耐壓大于有源區耐壓時,實際器件中的雪崩擊穿將主要發生在有源區,因此雪崩電流也幾乎全部流經有源區,整個器件的雪崩性能受限于寄生BJT 的開啟,同時由于前文仿真得到的最大雪崩電流要大于實測的最大雪崩電流值,所以為了更加貼近實際UIS 測試,本文將UIS 仿真中寄生BJT 有開啟趨勢時的雪崩電流值用作器件的雪崩性能評估。

圖4 改進器件失效時的電流密度分布(ton=3.7×10-4 s)Fig.4 Current density distribution in the improved device when failed (ton=3.7×10-4 s)

圖5 為ton=3.13×10-4s 時的UIS 仿真波形和最大晶格溫度變化曲線,圖6 所示為溝槽MOS 元胞內的電流密度分布隨時間的變化情況。t=3.8×10-4s 之前,漏極電壓逐漸增大,元胞和終端都發生了雪崩擊穿,終端中產生了一個較低的雪崩電流(≤0.32 A)。從t=3.8×10-4s 到t=4.2×10-4s,漏極電壓有明顯的降落(從最大值147 V 降落至143 V),圖6 中的雪崩電流路徑表明,有一部分雪崩電流從n+源區接觸流出,這是寄生BJT 開啟所導致的[13]。終端區雪崩電流因為寄生BJT 的開啟而迅速下降,導致終端區最大晶格溫度也隨之降低。很明顯,在這個過程中,寄生BJT 并沒有完全開啟,漏極電壓下降有限,有源區最大晶格溫度達到了607 K。

圖5 改進器件的UIS 仿真波形與晶格溫度曲線(ton=3.13×10-4 s)Fig.5 UIS simulation waveform and lattice temperature curve of improved device (ton=3.13×10-4 s)

圖6 溝槽MOS 元胞內的電流分布(ton=3.13×10-4 s)Fig.6 Current density distribution in trench MOS cell(ton=3.13×10-4 s)

當t=4.2×10-4s 以后,漏極電流的持續降低導致有源區產生的熱減少,有源區最大晶格溫度開始下降[10],而寄生BJT 的發射結勢壘VBE是負溫度系數,所以寄生BJT 被逐漸關閉,整個器件趨于恢復到之前的雪崩狀態,即有源區雪崩電流將會再一次全部從Pbody 接觸流出,同時終端區產生了一個較短的雪崩電流增大過程,終端區最大晶格溫度和漏極電壓也因此有略微的升高,之后隨著漏極電流的繼續減小,整個器件的溫度都迅速降低。從t=4.7×10-4s 時的電流密度分布圖可以發現,此時有源區的雪崩電流再一次從Pbody 接觸流出。

失效器件的UIS 仿真結果與實測結果存在一定的差距,并且本文假設在實際UIS 測試過程中,寄生BJT 開啟之后便不會再關閉,那么將雪崩電流值15.65 A(而不是18.5 A)作為改進器件發生動態雪崩失效的臨界點是合理的。

3 結論

本文采用將元胞和終端并聯仿真的方法,詳細分析了器件的動態雪崩失效過程。當終端耐壓低于元胞耐壓時,器件在終端部分發生了能量相關的失效,而終端耐壓高于元胞耐壓時,器件在元胞部分發生了因為寄生BJT 開啟導致的電流相關的失效,同時還對終端耐壓更高的器件的動態雪崩失效臨界點進行了界定以評估器件的雪崩性能,結果表明終端耐壓的提升使得器件雪崩電流得到了顯著改善。本文的研究為實際器件的動態雪崩失效分析和雪崩性能優化提供了理論指導。