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IGBT及其子器件的几种失效模式

摘要：本文通过案例和实验，概述了四种IGBT及其子器件的失效模式：MOS栅击穿、IGBT-MOS阈值

电压漂移、IGBT有限次连续短路脉冲冲击的积累损伤和静电保护用高压npn管的硅熔融。

关键词：栅击穿阈值电压漂移积累损伤硅熔融

1、引言

IGBT及其派生器件，例如：IGCT，是MOS和双极集成的混合型半导体功率器件。因此，IGBT的失效

模式，既有其子器件MOS和双极的特有失效模式，还有混合型特有的失效模式。MOS是静电极敏感器件，

因此，IGBT也是静电极敏感型器件，其子器件还应包括静电放电（SED）防护器件。据报道，失效的半导

体器件中，由静电放电及相关原因引起的失效，占很大的比例。例如：汽车行业由于失效而要求退货的器

件中，其中由静电放电引起的失效就占约30%。

本文通过案例和实验，概述IGBT及其子器件的四种失效模式：

（1）MOS栅击穿；

（2）IGBT——MOS阈值电压漂移；

（3）IGBT寿命期内有限次连续短路脉冲冲击的累积损伤；

（4）静电放电保护用高压npn管的硅熔融。

2、MOS栅击穿

IGBT器件的剖面和等效电路见图1。

由图1可见，IGBT是由一个MOS和一个npnp四层结构集成的器件。而MOS是金属—氧化物—半导体场效

应管的简称。其中，氧化物通常是硅衬底上氧化而天生的SIO，有时还迭加其他的氧化物层，例如SiN，
234

AlO。通常设计这层SiO的厚度ts：
232

微电子系统：ts<1000A电力电子系统：ts≥1000A。

SiO，介质的击穿电压是1×1019V/m。那么，MOS栅极的击穿电压是100V左右。
2

人体产生的静电强度U：

湿度：10-20%，U＞18000V；60-90%时，U≥1500V。

上述数据表明，不附加静电保护的MOS管和MOS集成电路（IC），只要带静电的人体接触它，MOS的尽缘

栅就一定被击穿。

案例：上世纪六十年代后期，某研究所研制的MOS管和MOS集成电路。不管是安装在印刷电路板上还是存

放在盒中的此种器件，都出现莫名其妙的失效。因此，给MOS一个绰号：摸死管。

假如这种“摸死”题目不解决，我国第一台具有自主知识产权的MOS集成电路微型计算机就不可能在1969

年诞生。经过一段时间的困惑，开始怀疑静电放电的作用。为了验证，预备了10支栅极无任何防护的MOS

管，用晶体管特性测试仪重新测试合格后，即时将该器件再往自己身上摩擦一下再测特性，结果发现：100%

栅击穿！随后，在MOS管的栅极一源极之间反并联一个二极管，题目就基本解决。意外的结果：“摸死管”

成了一句引以为戒的警语。该研究所内接触和应用MOS管MOS-IC的同事，对静电放电对器件的破坏性影

响都有了深刻的体验。

3、IGBT——MOS阈值电压漂移——一种可能隐躲的失效模式
MOS管的阈值电压Vth的方程式：

（1）

式中V=表面态阈值电压，V=本征阈值电压，
SShh

常数

(费米势)，N=硅衬底杂质浓度。

图2是栅电压V和栅电容C的C—V曲线，曲线上的箭头表时扫描方向。
GO

由图2可见。C—V曲线是一条迟滞回路，该回路包络的面积即是表面态电荷，Q是由Si—SiO
SS2
界面缺陷和正电荷离子引起的。而且，Si—SiO界面的Q始终是正的。即V总是向V正向移动。这就决
2SSSSITH

定了沟增强型MOS管和P沟数字集成电路轻易实现。

为了减小Q和防止SiO——Si界面电荷交换与移动，引起阈值电压漂移，采取了很多措施：
SS2

（1）将<111>硅衬底换为<100>硅衬底，减小硅表面的非饱和键；

（2）制备工艺中使用的石英器皿，气体和化学试剂均提升纯度级别，尽量减小Na离子的污染含

量；

（3）研发新的尽缘栅介质系列：

·SiN——Si，SiN——SiO——Si；
34342

·AlO——Si，AlO——SiO——Si。
23232

以上措施，对低压微功耗的微电子的应用，已证实MOS与MOSIC是可靠的。但是对于电力电子应用的
场合：高电压，大电流和工作温度范围较宽。特别是，静电放电电压接近栅极击穿电压而又未穿栅极时，

例如上文所示接近100V时，仍有隐忧：

（1）较高栅电压下，阈值电压漂移较大，图3示出P沟硅栅MOS在高栅电压下的。由

图3可见，栅电压V=40V时，=4V。
G

（2）PT—IGBT在高温栅偏压下阈值电压漂移。图4给出PT—IGBT（IRG4BC20F）在（1）栅

已射极Gge=20V，Vce=OV（HTGB）和（2）Vge=0V，Vce=0.8V(HTRB)在140℃，经过1200小时的应力试验

结果。由图4中