高频硅PNP晶体管3CG120高温失效机理研究

王立新，单尼娜，夏 洋，宋李梅，韩郑生

（中国科学院 微电子研究所，北京 100029）

失效分析的目的是通过总结失效现象，分析失效模式，研究其失效原因和失效机理，为器件的可靠性设计，工艺改进及可靠性增长提供有益的信息。

电子器件有时需要在宇宙空间中运行的卫星、火箭等高温、高辐射等极端条件下使用，条件非常恶劣，超出了正常使用温度范围。并且，随着技术的进步，对电子器件所要求的可靠寿命也越来越长。这就使得研究器件高温特性和高温下的退化特性，分析其高温下的失效机理及失效原因，从而保证器件在各种温度条件下正常工作具有重要意义。

文中使用温度斜坡法[1-4]，对样品硅PNP型晶体管3CG120进行170～340℃温度范围内序进应力加速寿命试验，得到样品在不同温度下电流增益、击穿电压、反向漏电流等电参数的退化规律。并通过对不同电参数退化规律的分析，初步分析在不同温度范围内的样品失效机理。

1 试 验

为了研究样品3CG120在高温下的失效模式，失效机理等，文中对样品3CG120进行序进应力加速寿命试验，试验条件及测试参数如表1所示。

表1 3CG120的序进应力加速寿命试验的试验条件及测试参数Tab.1 Experiment conditions and test parameters of process stress accelerated life test

2 结果与分析

试验的样本量为3支，在Tj=170～340℃温度范围内，试验样品372#、373#、374#表现出的退化规律比较一致。测试数据hFE如图1所示。

如图1，参数 hFE的退化过程可分为 A、B、C、D 4段。各温度段内参数的退化规律如表2所示。

分析各参数的退化规律，直流增益hFE仍然是第一位的失效敏感参数，下面从理论上分析其退化机理，同时，参照其他参数的变化规律对其进行分析。

图1 序进应力下，3CG120的敏感参数hFE的退化曲线Fig.1 Degenerate curve of hFE under progress-stress condition

表2 3CG120各参数的退化规律Tab.2 Degradation laws of parameters of 3CG120

式中，IC、IB分别为收集极、基极电流。

根据半导体物理关于PN结的理论可知：PN结的正向电流由扩散电流和复合电流Ire两部分组成。当晶体管工作在有源放大区时，发射结势垒区内存在着净复合，这股复合电流的表达式为：

式中：xm为发射结耗尽层厚度；AJ为发射结面积；VE为正向电压。

由（2）式可知，复合电流Ire和耗尽区的体积 xmAJ成正比；由（1）式可知，直流增益与复合电流成反比。当存在表面电场时，就会影响耗尽层总的体积，从而影响到发射结正向电流中复合电流的成分变化，进而影响直流增益hFE的大小。

根据文献[5]，pn结总的反向电流IR为：

式中 ，Igen，MJ为 结 耗尽 区 中形成 的产生电 流 ；Igen，FIJ为 栅 电极下的表面耗尽区产生电流；Igen，s为Si-SiO2界面陷阱引起的产生电流。

下面结合试验情况对样品的失效机理进行分析。

第1段：175～240℃，在进行序进应力加速寿命试验时，发射结通过正向大电流，由于基区浓度远小于发射区浓度，故正向电流主要由空穴组成。这些空穴通过发射结耗尽层时形成正的空间电荷，这种正空间电荷在发射结Si-SiO2界面形成的电场，将排斥SiO2层中的可动正离子趋向远离Si-SiO2界面。故可动正离子会被排斥到SiO2上表面，相当于在SiO2上表面加一负电场VGBE，如图2所示。试验过程中的温度上升会促使正离子的这种运动，而且时间愈长在正离子在SiO2上表面堆积愈多，也即相当于VGBE愈大，这将使基区表面从堆积到耗尽。集电结也通过反向空穴大电流，在集电结耗尽层Si-SiO2界面形成相对于SiO2层的正向电场，排斥SiO2层中的可动正离子趋向远离Si-SiO2界面，使集电结基区表面逐渐耗尽，集电区表面逐渐堆积。

图2 第一个温度段（170～240℃）BE结剖面示意图Fig.2 Profile of BE contact of first temperature range

随着温度的升高，发射结基区耗尽层逐渐扩展，表面复合电流也逐渐增加，导致基极电流IB随之增加。由公式（1）可得，hFE随着试验的进行在第一个温度段（170-240℃）逐渐下降如图1所示。

而由于IEBO的测试条件是反向电压2 V，2 V反压造成的耗尽层宽度大于表面感应耗尽层的宽度，故表面耗尽层的变化没有影响到ICEO的大小，如图3所示。而ICBO的测试条件是反向电压10 V，由于集电结基区表面耗尽，集电区表面堆积，对漏电流影响不大，故ICBO在此温度段变化也不大，如图4所示。

图3 序进应力下，3CG120的敏感参数ICEO的退化曲线Fig.3 Degradation curve of ICEO of 3CG120 under process stress

击穿电压BVCEO、BVCBO形成的耗尽层都大大超过试验条件下产生表面耗尽层的宽度，故在本温度段耗尽层的变化不能影响BVCEO、BVCBO，即二者在此温度段变化不大，如图5所示。

图4 序进应力下，3CG120的敏感参数ICBO的退化曲线Fig.4 Degradation curve of ICBO of 3CG120 under process stress

图5 序进应力下，3CG120的敏感参数BVBE的退化曲线Fig.5 Degradation curve of BVBE of 3CG120 under process stress

第2段：240～290℃，进入第二段后，温度达到240℃以上，结温达到270℃以上，集电区掺杂密度为1 015。在此条件下，集电区产生本征激发，出现大量热电子、空穴，在反向偏压VBC及第一段积累形成的VGBC的作用下，BC结上方Si-SiO2界面发生热空穴注入[5]，SiO2界面中空穴的积累，将导致集电区表面耗尽。而ICBO随温度上升指数增加[6]，同时由于集电区本征激发产生的大量电子及集电结耗尽层的增加，进一步加大了ICBO。在试验条件下，过大的ICBO大大超过了IB，造成大量电子在基区堆积，使基区电位下降，与发射区形成正向压降，降低发射结势垒，基区大量电子扩散过发射结。此时，发射结电流不再主要由空穴组成，而由电子、空穴共同组成，即空穴在发射结Si-SiO2界面形成的电场被抵消。这就导致在高温下，发射结SiO2层中的可动正离子将逐渐恢复正常分布，从而使第二段hFE恢复到正常值附近如图1所示。

在此温度段，发射结空穴注入，并在SiO2界面处形成堆积，使集电结基区表面耗尽层逐渐消失，集电区表面逐渐耗尽。由于集电结表面耗尽层的增大，由公式（3）可知，栅电极下的表面耗尽区产生电流Igen，FIJ和Si-SiO2界面陷阱引起的产生电流Igen，s都大大增加，从而导致了ICBO的大大增加，如图4所示。

击穿电压BVCEO、BVCBO形成的耗尽层都大大超过试验条件下产生表面耗尽层的宽度，故在本温度段耗尽层的变化不能影响BVCEO、BVCBO，即二者在此温度段变化不大。

第3段：290～340℃，随着温度继续升高，BC结上方Si-SiO2界面热空穴持续注入，在SiO2界面空穴继续堆积，使集电区表面反型，如图6所示。欧姆接触的金属Al离子开始融入发射结，造成结损伤，使hFE重新下降。

在这一试验温度段，漏电流ICBO和ICEO出现了围绕初始值减小的现象，如图3、图4。分析认为：BC结表面出现反型层，由于失掉了Si-SiO2界面处复合中心，所以反向电流变成了：IR=Igen，MJ+Igen，FIJ，所以反向电流相对于第二温度段（240～290 ℃）的反向电流大大减小，但仍大于Igen，MJ。

图6 第3个温度段（290～340℃）结剖面示意图Fig.6 Profile of contact of the third temperature range

第4段：340℃-，试验温度在340℃之后，直流增益hFE表现出迅速减小的现象。使得该电流骤增，造成发射结局部发生不可逆的损伤，直流增益hFE迅速减小。同时造成了漏电流IBEO迅速增大，而击穿电压BVBEO快速减小的退化现象，如图5所示。

3 结 论

文中通过对硅PNP型晶体管3CG120进行170～340℃温度范围内序进应力加速寿命试验，对3CG120在不同温度段的失效机理进行了研究，发现在170～240℃温度段内，样品的失效机理是：发射结中通过的正电荷，排斥SiO2层中的可动正离子趋向远离Si-SiO2界面，这将使基区表面从堆积到耗尽，导致复合电流增大，而引起增益的下降。

而在240～290℃温度段内，集电区产生本征激发，出现大量热电子、空穴，在反向偏压VBC的作用下，BC结上方Si-SiO2界面发生热空穴注入，导致增益改变；在290～340℃温度段内：BC结上方Si-SiO2界面热空穴持续注入，在SiO2界面空穴继续堆积，使集电区表面反型，导致增益的迅速下降。与室温失效机理一致的范围为：室温至240℃。

[1]Pasco R W，Schwarz J A.Temperature-ramp resistance analysis to characterize electromigration[J].Solid-State Elec-tronics，1983，26（5）：445-452.

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