功率肖特基二极管静电损伤分析图文精.docx

1、功率肖特基二极管静电损伤分析图文精2010年 8月第 5卷 第 3期失效分析与预防A u g u s t , 2010V o l . 5, N o . 3 收稿日期 2010年 5月 6日 修订日期 2010年 7月 10日作者简介 龚欣 (1979年 - , 女 , 博士 , 工程师 , 主要从事航天用元器件质量保证方面的研究 。功率肖特基二极管静电损伤分析龚 欣 , 张延伟(中国空间技术研究院电子元器件可靠性中心 , 北京 100029摘 要 从静电放电 (E S D 导致肖特基整流管失效的案例分析入手 , 提出了一种新的失效机理 , 解释了高耐压肖 特基整流管静电敏感的原因 。 结果表明

2、 :功率肖特基二极管由于需要生长 S i O 2作 P +扩散环的掩蔽层 , 而在刻蚀 S i O 2形成 肖特基势垒区时 , 往往会由于各 种原因 (例如 S i 表面的微缺陷 、 刻蚀不干净等 残留少量或极少量 S i O 2, 从而在 肖特基二极管中引入 对 E S D 敏感的金属氧化半导体 (M O S 电容结构 , 造成器件的抗静电能力大幅下降 。 该研究结果对 肖特基二极管 生产 、 使用 以及失效分析具有重要指导意义 。关键词 肖特基整流管 ; 失效分析 ; 静电放电中图分类号 T N 312. 4文献标志码 A d o i :10. 3969/j. i s s n . 1673

3、-6214. 2010. 03. 009文章编号 1673-6214(2010 03-0168-04A n a l y s i s o f S c h o t t k y R e c t i f i e r D a m a g e dE l e c t r o -s t a t i c D i s c h a r g eG O N GX i n , Z H A N GY a n -w e i(C h i n e s e A c a d e m yo f S p a c e T e c h n o l o g y , B e i j i n g 100029, C h i n a A b s t

4、 r a c t :Th e c a u s e o f t h e h i g h e l e c t r o -s t a t i c d i s c h a r g e (E S D s e n s i t i v i t y o f s c h o t t k y r e c t i f i e r w a s s t u d i e d b a s e d o n f a i l u r e a n a l -y s i s o f E S Dd a m a g e d s c h o t t k y r e c t i f i e r . T h e r e s u l t s s

5、 h o ws i n c e a S i O 2la y e r a s a m a s kf o r P +d i f f u s i o n i s n e c e s s a r y t o b e f o r m e d , s o m e S i O 2m a y r e m a i n a t t h e i n t e r f a c e b e t w e e nt h e S i m a t e r i a l a n dn e x t m e t a l l a y e r f o r a l l k i n d s o f r e a s o n s s u c h a

6、 s m i n o r d e f e c t s o n t h e S i s u r f a c e a n d e t c h i n g a n o m a l y . A s a r e s u l t , a s t r u c t u r e l i k e m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r (M O S c a p a c i t o r w h i c h i s s e n s i t i v e t o E S Dw a s i n t r o d u c e dt o t h e s c h o t t k

7、y r e c t i f i e r , a n dt h e s e n s i t i v i t y o f S c h o t t k y R e c t i f i e r l a r g e l y i n c r e a s e d . T h e r e s u l t i s v e r y u s e -f u l t o t h e m a n u f a c t u r e , a p p l i c a t i o n a n d f a i l u r e a n a l y s i s o f s c h o t t k y r e c t i f i e r

8、s . K e y w o r d s :sc h o t t k y r e c t i f i e r ; f a i l u r e a n a l y s i s ; e l e c t r o -s t a t i c d i s c h a r g e0 引言电子元器件的失效分析借助各种测试技术和 分析方法明确元器件的失效过程 , 分辨失效模式 或机理 , 确定其最终的失效原因1-2。 肖特基二极管以其较低的正向导通电压 , 更好的高频特性 , 在 高速集成电路 、 微波技术等许多领域得到广泛应 用 。 常规肖特基二极管对 E S D 并不敏感3, 其使用中的主要失效模式常为正向过

9、流烧毁或反向过 压击穿 ; 但高耐压肖特基整流管由于其结构的特 殊性 , 抗静电能力较常规肖特基二极管弱 , 在使用 中仍要高度注意防静电问题 , 本文从实际失效案 例说明肖特基功率整流管受静电损伤的机理 , 对 高耐压肖特基整流管静电敏感度低的原因进行研究 , 并提出在生产 、 使用以及失效分析阶段的注意事项 。某电源模块输出整流二极管短路 , 该整流二极管为高效肖特基整流管 , 内部由 2个共阴极的 肖特基二极管组成 , 内部原理图见图 1。图 1 器件内部原理示意图 F i g . 1S c h e m a t i ci l l u s t r a t i o n o f t h e p

10、 a r t第 3期 龚 欣 , 张延伟 :功率肖特基二极管静电损伤分析 1 试验过程与结果检查器件外观 , 未见有导致器件失效的异常状况 , 失效器件外观见图 2。图 2 失效器件外观F i g . 2A p p e a r a n c e o f t h ef a i l e d p a r t 用图示仪测试发现其中一个二极管正负极短 路 , 用万用表测试正反向电阻均为 1. 4。 对器件进行颗粒碰撞噪声检测 (P I N D , 没有 发现器件内部可动多余物 , 排除可动金属多余物 导致器件短路的可能性 。为判断外界气氛对器件性能的影响 , 对器件 进行密封性检查 , 器件精粗检漏结果均

11、合格 。 对失效器件进行内部气氛分析 , 发现器件密 封腔体内并不含 O 。用机械法开帽 , 用体式和扫描电子显微镜对 器件内部进行检查 , 发现短路二极管内部芯片表 面存在黑色的异常点 , 异常点外围为 A l 金属电极 受热皱起的形貌 , 中间为半导体和金属共融的形 貌 , 异常点形貌有别于常见的过电应力导致的烧 毁点形貌 (图 3 。图 3 短路二极管表面异常点照片F i g . 3P h o t o g r a p h o f f a i l u r e s i t e 用扫描电镜和能谱仪对器件芯片进行检查和 分析 , 发现异常点的成分主要为 S i 、A l 、M o 、O (图 4

12、 , 分析认为该处发生了硅铝共熔 , 判断该点为 芯片短路点 。 对芯片表面的其他区域进行能谱分 析 , 其成分为 A l 。图 4 图 3b 方框处能谱分析谱图F i g . 4E n e r g y s p e c t r u mo f f a i l u r e s i t e169 失效分析与预防 第 5卷 对芯片表面的 A l 金属电极以及金属 M o 进行腐蚀 , 发现金属和半导体的共融物质仍然存在 ,能谱分析发现异常点仍然含有 S i 、A l 、M o 、O , 腐蚀掉 A l 和 M o 后的异常点形貌见图 5。图 5 腐蚀掉 A l 和 M o 后的异常点形貌F i g .

13、 5S E M m i c r o g r a p h a f t e r r e m o v a l o f A l a n dM o2 分析与讨论2. 1 肖特基二极管的制作过程肖特基接触的制造通常是将合适的金属蒸发在 N +-N 外延结构的表面上来完成的 。 对于高耐压肖特基二极管 , 通常采用边缘终端技术 (扩散 P +保护环 来改善其边缘 电场的集成从而提高其反向击穿电压 4。 目前 主流的肖 特基二极管 (几十 V 至 200V 以上 工艺流 程见图 6。 图6a 图 6e 的工艺流程分别为在 N +/N衬底上热氧化生长 S i O 2作 P +扩散的掩蔽层 ; 先后进行光刻 、

14、刻蚀 、 B 注 入 、 推结 , 形 成 器件 结终 端 ; 刻蚀S i O 2形成肖特基势垒区 (即有源区 ; 溅射 /蒸发M o 金属 , 继续退火处理 , 形成 M o S i 2金属势垒 ; 蒸发铝 , 形成电极 。2. 2 失效机理分析从能谱分析可以看出 , 异常点处除了存在上述的 A l 、M o 、S i 外 , 还 有 O 。 O 有 2个可 能的来源 , 一是封装内部的 O 2, 二是器件制作过程 S i O 2残留 。 器件封装内部含有少量 O 2, 烧毁点在过热过程中发生局部氧化 , 在异常点处可分析出 O , 而内部气氛分析表明器件密封腔里不含有 O 2, 因此可排除

15、这种来源 ; 结合肖特基器件工艺流程 , 判断O 来源于氧化层刻蚀过程 (图 6c 中残留的少量图 6 主流 的肖特基二极管工艺流程F i g . 6P r o c e s s f l o wo f c u r r e n t S c h o t t k y R e c t i f i e r 或极少量 S i O 2。残留的 S i O 2经后续金属淀积 、 合金工艺处理 后 , 相当于在肖特基二极管上并联了一个 M O S 电 容 (图 7 , 而 M O S 电容是 E S D 敏感器件 , 这也解 释了为什么该器件标识的抗 静电能力为一级 (1个 , 器件失效点含有 O , 表明失效点

16、即为残留 S i O 2的位置 。图 7 有 S i O2残留时肖特基二极管等效电路图F i g . 7E q u i v a l e n t c i r c u i t w i t hS i O2r e m a i n i n g170第 3期 龚 欣 , 张延伟 :功率肖特基二极管静电损伤分析 失效点首先发生介质击穿 , 接着引发大电流 , 从而发生了半导体和金属的局部共融 。 导致残留 介质击穿的机理有 2个 , 一个是与时间相关的介 质击穿 (T D D B , 另一个则是静电损伤 。文献报道 5, T D D B 的典型时间 -失效分布 属于对数正态分布 , 时间超过 100h 以后

17、 , 失效率 明显下降 , 调查该次失效的背景信息 , 该器件在失 效前累计工作时间为 1455h , 且器件出厂前进行 了 240h 的高温反偏试验 , 排除器件残留 S i O 2位 置发生经时击穿的可能性 。通过上述分析 , 判断静电放电导致残留 S i O 2的位置发生介质击穿 , 击穿后引发的电流导致半 导体和金属的局部共融 。2. 3 验证试验取同批次良品 1只 , 依据 G J B 548B 2005方 法 3015对 器 件 进 行静 电 放 电 试 验 , 试 验后 用 T E K 370晶体管图示仪测试器件引脚 P i n 1 P i n 3的 I -V 特性 , 发现器件

18、反向漏电变 大 。 模拟器 件工作状态给器件持续加电 4h , 观察器件 I -V 特性 , 漏电有逐渐变大的趋势 , 接近短路 。对模拟样品开帽进行内部目检 , 发现施加应 力的二极管管芯存在类似于失效器件的黑色硅铝 共熔点 , 能谱分析该点的成分为 S i 、A l 、M o 、O , 与 失效器件失效点相同 (图 8 。(a O p t i c a l p h o t o g r a p h (b S E M m i c r o g r a p h 图 8 模拟试验样品失效点形貌F i g . 8F a i l u r es i t e a p p e a r a n c e o f t

19、 h e s a m p l e i nt h e v a l i d a t i o nt e s t3 结论1 由于高耐压肖特基整流管 通常利用扩散 P +保护环的方法改善其反向耐压 , 需要在 N +/N衬底上热氧化生长 S i O 2作 P +扩散的掩蔽层 , 而 在刻蚀 S i O 2形成肖特基势垒区时 , 往往会由于各 种原因 (例如 S i 表面的微缺陷 、 刻蚀不干净等 残 留少量或极少量的 S i O 2, 从而在肖特基二极管中 引入对 E S D 敏感的 M O S 电容结构 , 造成器件的 抗静电能力大幅下降 , 若使用中静电防护措施不 当 , 很容易对器件造成静电损伤

20、。2 肖特基整流管生产厂家在刻蚀 S i O 2的工 艺过程中应特别注意将 S i O 2刻蚀干净 ; 针对这类 器件 , 在生产 、 试验 、 运输和使用中要按照一类静 电敏感器件进行静电防护 , 在失效分析时也应考 虑静电损伤这一失效机理 。参 考 文 献1恩云飞 , 罗宏伟 , 来萍 . 电子元器件失效分析及技术发展 J . 失效分析与预防 , 2006, 1(1 :40-41.2刘平 , 刘建勇 , 姚琲 . S E M/ED X 和 F T I R 在手机电触点 失效分 析方面的应用 J .失效分析与预防 , 2010, 5(2 :114-115. 3张安康 . 微电子器件与电路可靠性 M.3版 . 北京 :电子工 业出版社 , 1992:125-130.4维捷斯拉夫 本达 , 约翰 戈 沃 , 邓肯 A 格兰特 , 等 . 功率 半导体器件 理论及应用 M.吴郁 , 张万荣 , 刘 兴明 , 等译 . 北京 :化学工业出版社 , 2005, 5:145-146.5姚立真 . 可靠性物理 M.北 京 :电子工业 出版社 , 2004:401 -403.171