重金属掺杂硅平面外延开关三极管失效分析技术研究

曹德峰，张 颖，崔 帅，李志勇，胥佳灵，卢 健

（1.上海微小卫星工程中心，上海 201203；2.中国科学院微小卫星重点实验室，上海 201203；3.上海精密计量测试研究所，上海 201109）

重金属掺杂硅平面外延开关三极管失效分析技术研究

曹德峰1,2，张 颖3，崔 帅1,2，李志勇1,2，胥佳灵1,2，卢 健1,2

（1.上海微小卫星工程中心，上海 201203；2.中国科学院微小卫星重点实验室，上海 201203；3.上海精密计量测试研究所，上海 201109）

对航天某型号选用3DK104D型NPN硅外延平面小功率开关三极管补充筛选试验中参数超差问题进行了分析，采用非破坏和破坏性分析相结合的技术，对硅基开关晶体管的失效机理进行了研究，最终得出参数超差属批次性质量问题，予以剔除。

开关三极管；掺杂工艺；航天型号工程；失效分析

引言

目前，第三代半导体材料已开发并应用。各类半导体材料均有其自身特点。第一代半导体材料主要是硅、锗元素的半导体材料。第二代半导体材料主要是化合物半导体材料，如二元化合物砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、磷化铟(InP)；三元化合物GaAs Al、GaAs P；固溶体半导体如Ge-Si、GaAs-GaP；还有玻璃半导体、有机半导体等。InP、GaAs等材料适合于适合制备高速、高频、大功率以及发光电子器件。第三代半导体材料主要是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表的禁带半导体材料， SiC技术较为成熟、GaN技术次之。与第一、第二代半导体材料相比，第三代半导体具有宽的禁带宽度，高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率以及更高的抗辐射性能，更加适合于制备高温、高频、抗辐射以及大功率器件，通常被称为宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2 eV），也被称为高温半导体材料[1]。

上述三代半导体材料制备的器件，在航天型号工程均有应用。其中，第二代、第三代产品由于其性能优良，应用逐渐增多。因航天型号工程产品自身特点，硅基半导体器件仍然有其应用空间。航天型号产品功能完好且可靠性较高，需要各个方面综合协调，需要各个方面相匹配。硅平面外延开关三极管作为一种开关管，由于某些型号单机中与其他元器件匹配性较好、兼容性较好，部分型号产品在原来应用的基础上继续沿用。近年来,硅器件性能逐渐成熟且稳定,具有耐高温、反向电流小以及能采用平面技术使表面钝化,而得到稳定可靠的性能[2]。外延技术与平面技术结合制成的平面外延管具有优点较多,如饱和压降小、反向击穿电压高、小电流增益大、开关速度快和功率较大等。

航天型号工程的应用中应用硅平面外延开关三极管，其产品可靠性对单机或系统有一定程度的影响。因而，本文针对重金属掺杂NPN硅外延平面小功率开关三极管失效问题进行研究，找出器件失效机理，判断失效为个例还是批次性质量问题，对型号产品可靠性具有一定的指导意义，对型号元器件选型、应用等方面具有一定的参考意义。

1 问题概述

航天某型号选用3DK104D型NPN硅外延平面小功率开关三极管，器件质量等级SAST，共计241只。在补充筛选试验过程中，241只器件中发现6只晶体管ICEO参数超差。其中，5只失效环节是在高温反偏试验后常温测试，ICEO数值分别为2 000.6 nA、2 000.6 nA、2 000.6 nA、2 000.6 nA和1 612.7 nA（手册要求VCE=30 V时，ICEO≤1 000 nA）；1只老炼后测试发现，ICEO数值为1 995.3 nA。补充筛后总批允许不合格率（PDA）为2.49 %，小于该型号PDA技术控制要求（该型号PDA要求为<5 %）。但怀疑该批次晶体管ICEO偏离规定值较大，怀疑该批次器件存在批次性质量问题，因而对该批次补充筛选参数超差器件进行失效分析，并对筛选合格数据进行相应分析，保证型号用元器件的可靠性。

图1 开关三极管失效分析方案示意图

2 元器件失效分析

2.1 失效分析方案制订

元器件失效分析遵循从非破坏到破坏的原则，了解元器件失效现象的前提下，合理制定分析方案。因型号工程本身具有不可维修性等特点，对元器件可靠性要求较高，且失效器件具备稀少甚至唯一的特点，失效分析方案需合理制定，能够准确找出失效原因，明确失效机理，分析元器件失效属于个例还是批次性问题。本NPN硅外延平面小功率开关三极管失效分析方案如图1所示。

2.2 失效分析

2.2.1 非破坏性检查

依据GJB 128A-1997《半导体分立器件试验方法》相关标准，对失效器件进行外部目检、颗粒碰撞噪声检测（PIND）试验和密封试验检测，未发现明显异常，试验结果均为合格。接着对补充筛选异常器件进行电流间直流特性测试，利用B1505功率器件分析仪/曲线追踪仪对失效品ICEO~VCE曲线进行复测，并选取同批次良品进行对比测试，测试结果分别如图2所示，初步认为晶体管CE间反向漏电过大导致ICEO参数超差失效。

2.2.2 破坏性检查

对失效器件开帽并进行内部键合情况检查，体式显微镜下获得的晶体管内部形貌如图3 所示。样品内部键合完整，键合丝无烧毁或熔断痕迹，芯片整体形貌如图4所示，内部目检未见明显异常。

2.2.3 问题分析

查阅可靠性中心检验记录，发现进行补充筛选的其余235只样品中，存在10只晶体管虽然筛选合格，但高温反偏前、后参数变化过大，变化结果如表1所示。高温反偏后测试合格，但老炼后测试不合格的33#晶体管，老炼后测试结果为794.2 nA，参数异常。选取筛选合格但高温反偏后ICEO参数变化较大的四只晶体管，利用B1505功率器件分析仪/曲线追踪仪对ICEO~VCE进行测试，曲线如图5所示。测试结果表明晶体管参数虽未超差，但特性变差，且曲线变化趋势与已发生参数超差失效晶体管结果相似。

图2 失效器件ICEO～VCE关系曲线

表1 高温反偏前后未失效晶体管ICEO参数变化(nA)

图3 失效器件内部键合情况及整体形貌

图4 失效器件内部芯片形貌

图5 高温反偏前后部分未失效器件ICEO～VCE关系曲线

3 失效机理分析

3DK104D型NPN硅外延平面小功率开关三极管，属于高击穿高速开关晶体管，在器件制备过程中，存在一对矛盾条件：高击穿要求外延层有较高的电阻率和厚度，而高速开关则相反，要求尽量低的外延层电阻率和厚度。解决办法为：①严格计算外延层电阻率和厚度；②掺入一定量的重金属杂质Pt提高开关速度。但掺入Pt后会引起反向漏电流增大、少数产品击穿参数变差，或是少数产品经过高温反偏和功率老化试验后击穿特性变差。在元器件补充筛选试验中，高温反偏、功率老化的应力，使产品在电应力和热应力的的作用下，少数产品缺陷增大，导致反向漏电流增大。

4 结论

基于元器件失效机理，本论文中晶体管参数超差，实际为制备工艺过程中未能对外延层厚度和电阻率进行合理控制，虽然PDA值符合要求，但属于批次性质量问题，予以剔除，该批器件航天型号不予使用。

[1]黄润华,钮应喜,杨霏,等.碳化硅 MOSFET 栅氧化层可靠性研究[J]. 智能电网, 2015,3(2):99-102.

[2]马格林,张玉明,张义门,等.一种碳化硅外延层质量评估新技术[J]. 西安电子科技大学学报, 2011, 38(6):43-49.

曹德峰，男，硕士研究生学历，工程师，主要从事航天型号元器件失效分析。

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