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提高功率半导体器件可靠性的措施

嘉峪检测网        2020-12-20 18:19

(1)制造工艺方面:

 

a 在三重扩散型的衬底制作中,为了尽量减少衬底材料的晶格缺陷对制管成品率的影响,除了设法消除晶片的内应力,控制硅片在高温下二次缺陷的增生之外,还应尽量减少和防止重金属杂质的粘污,在工艺中必须保证去离子水有足够高的纯度(在25℃水温下测量去离子水的电阻率宜控制在7MΩ以上),并应加强硅片、扩散系统、用具、器皿的清洁度,此外还应注意再分布后进行足够慢的降温(1.5~2℃/min),以使上述有害杂质从晶体内部向表面高浓度层迁移。

 

b 为了改善PN结面质量,从结构设计上考虑,可以适当增加扩散结深,以加大尖峰的曲率半径,从而可以提高击穿电压。但另一方面,随着扩散结深的增加,磷扩散的温度就要相应提高,扩散时间也要相应延长,由此,在磷扩散过程中,被吸收到硅表面的杂质含量以及形成沉积缺陷的数目也会相应增多,因此,选择合理的扩散结深对于提高大功率管管芯成品率是十分关键的。

 

 c 为尽可能减少在器件制造的整个过程中出现的或增殖的大量二次缺陷(主要是滑移位错、失配位错和氧化层错等),根据器件电学参数要求,对于电流容量要求不大的高压晶体管,在工艺设计上可以考虑采用二重扩散型的平面结构。

 

d 要提高光刻质量,减少光刻缺陷,防止出现毛刺、钻蚀、针孔、小岛等缺陷。

 

e 控制好磷扩散的温度和携源流量,使石英管内的杂质蒸气压不至于过大;同时,要注意加强工艺卫生,避免重金属杂质的粘污,保证扩散系统及硅片的充分干燥和清洁,以免硅片表面产生局部合金点、破坏点以及杂质沉积缺陷。

 

f 为了避免或减少在光刻腐蚀后氧化层上出现针孔,除了保证掩膜版和光刻胶质量,改善光刻及氧化等工艺卫生条件,加强氧化前硅片和石英管的清洗处理,提高工艺操作水平之外,还应当注意要求所使用的硅片位错和层错密度不能过高。因为当硅片存在位错和层错时,由于位错和层错存在的地方容易引起杂质积聚,使该处不能很好地生长氧化层,从而形成氧化层上的针孔。

 

g 为了避免和减少沟道漏电,除了加强工艺卫生外,还应当适当提高基区表面浓度,使其提高到2E18cm-3以上。

 

h 为了减少或避免钠离子对SiO2层的粘污,降低Si-SiO2界面处的界面态密度,在工艺上可以采取的措施包括:①加强工艺操作和环境卫生;采用优质化学试剂、高纯水、高纯气以及超净设备,尽量减少硅片在清洗机高温热处理过程中的Na+粘污。②用电子束蒸发代替钨丝加热蒸发,减少蒸发过程中的Na+粘污。③采用HCL氧化工艺,减少氧化及再扩散过程中由于炉管引入的Na+粘污。④采用氮化硅-二氧化硅、三氧化二铝-二氧化硅等复合钝化层,提高Na+粘污。⑤采用氢氮烘焙以及选择较优的氧化炉温和氧气流量,使表面硅充分氧化,减少氧缺位,以降低界面态电荷密度。

 

 i 为了预防寄生沟道引起的失效,一方面是要在加工工艺上注意清洁度,避免杂质的沾污;另一方面就是要在设计上采取措施,防止寄生沟道的产生,这需要针对具体的电路来加以考虑。预防措施包括:①采用离子注入来设置沟道停止区,以阻断寄生沟道的导电;②在p型高电压半导体区域上,加设低电位的场板电极,它可以防止寄生沟道的形成,也可以防止电荷散布效应的出现,同时还可以对于下面的载流子调制起到静电屏蔽的作用。

 

j 双极器件的抗辐射加固技术:双极器件的损伤本质上来源于界面处深能级陷阱空穴的积累,而剂量率辐照所特有的高电荷产额,加剧了界面正电荷的积累,进而在低剂量率辐照时使增益的退化更加严重。为了能生产出应用于空间低剂量率辐射环境的器件,可采取措施包括:

 

①通过改进注入工艺,降低界面处深能级空穴陷阱密度,抑制正电荷的积累;

 

②在工艺允许的情况下,减薄基-射结区上方掩蔽氧化层的厚度;

 

③适当增加基区表面的掺杂浓度,抑制基区表面的耗尽和反型;

 

④在设计上应尽量减小发射极周长于面积的比值,以减小产生-复合的表面面积。

 

K 因为辐照后SiO2层中积累的电荷与SiO2层质量、性质有关,所以MOS器件栅极氧化层的质量将直接影响氧化层内空间电荷的数量。若SiO2中具有电子俘获中心,那么这种SiO2层内,辐射不仅建立起正空间电荷层,而且也将建立起负空间电荷层,其结果将净积累电荷就会减少,辐射产生的影响也就减弱。要提高SiO2膜的抗辐照能力,必须选择合适的工艺方法和条件,生长出结构完整、缺陷和杂质密度小的氧化膜,另外,选择一种能清除膜内的杂质并生成完整的Si-O键的退火处理方法,对于加固MOS器件也是十分必要的。如用惰性气体He、Ar代替N2做退火气体,可明显降低Si-H和Si-OH的浓度。

 

(2)筛选方面:

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(3)选型及使用方面:

 

a 为加速开通,采用过驱动方法,但关断时,严重影响关断时间;为减小关断时间,可选用电流增益小的器件,防止深饱和,增加反向驱动电流。

 

b 抑制dV/dt,可在集射极间并联RCD缓冲网络进行吸收。

 

c 为保证BJT不超过规定的结温,应根据容量等级配以相应的散热器和采用相应的冷却方式。否则,会因结温过高导致热损坏。

 

d 减小导通压降,采用缓冲电路、改变主电路形式(谐振型)均可减小功耗,减少发热。

     

e 按规定条件使用、储存;

 

f 按照正确条件进行二次筛选;

 

g 按照正确的测试方法测试,以免引入浪涌电平,静电放电损伤;

 

(4)BJT驱动和保护方面

 

①最优化驱动特性:应提高开关速度,减小开关损耗。

 

开通时:基极电流上升沿快速且短时过冲,加速开通。

 

导通后:VCES较低,导通损耗小。为减小关断时间,应工作在准饱和状态。

 

关断时:提供反向驱动电流,加速载流子耗散,缩短关断时间,减小关断损耗。

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②快速保护功能:

 

BJT故障时,自动关断基极驱动信号,保护BJT。

 

如:抗饱和、退抗饱和、过流、过压、过热、脉宽限制.

 

智能化自保护能力。

 

③过电流检测与保护

 

BJT运行时,过流检测能保证管子正常工作。要求检测电路灵敏度高,响应快。

 

④缓冲电路:开关元件开通时,流过大电流;关断时,承受高反压;开关转换瞬间,电路中各种储能元件能量释放,导致器件冲击很大,造成器件超出安全工作区而损坏。吸收电路用来减小器件在电路中承受的各种应力(电、热),如:浪涌电压、dV/dt、dI/dt等。应力越低,器件可靠性越高。吸收电路还能减少开关损耗,避免二次击穿,抑制电磁干扰,提高可靠性。  

 

(5)BJT驱动和保护方面

 

①理想栅极驱动电路:要求电路简单,快速,具有保护功能。

 

栅极为容性网络,驱动源输出电阻直接影响开关速度。

 

Ron,Roff输出电阻

 

正电压开通

 

负电压关断

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驱动特性

 

 MOSFET栅源间静态电阻趋于无穷大,静态时栅极驱动电流几乎为零,但由于栅极输入电容的存在,栅极在开通和关断的动态驱动中仍需一定的驱动电流。

 

②开通驱动特性

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③关断驱动特性:

 

VDS关断时,由于引线电感存在,产生尖峰电压

 

电路中应加缓冲电路,限幅电路防止过电压

 

关断时,负驱动信号

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④驱动电流选择:

 

不同MOSFET,极间电容量不同,功率越大,极间电容越大,开通关断驱动电流也越大。

 

a开通驱动电流:提高功率半导体器件可靠性的措施

 

在ts时间内,将栅极输入电容充电到饱和导通所需电压VGS

 

b关断驱动电流:提高功率半导体器件可靠性的措施

 

⑤驱动电路及保护电路

 

种类很多:正反馈型,窄脉冲自保护型,高速关断型;

 

常用,如双PNP管驱动电路;

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来源:可靠性技术交流