超低噪聲場效應晶體管參數(shù)退化失效分析

胡 明

(海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海 200233)

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超低噪聲場效應晶體管參數(shù)退化失效分析

胡 明

(海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海 200233)

某型號超低噪聲場效應管使用3～5年后，在氣候潮熱區(qū)域和時期會集中出現(xiàn)飽和漏電流、跨導減小的參數(shù)退化現(xiàn)象。首先對失效器件進行了電特性測試、熱成像分析、聚焦離子束(FIB)分析、能譜分析，通過故障樹法排除了過電應力、結(jié)溫過高、芯片自身缺陷等可能失效原因；其次結(jié)合失效場效應管鈍化層薄、環(huán)氧膠封等工藝特點以及特殊的失效環(huán)境，通過推理假設，最終試驗驗證得出：低噪聲場效應管在長時間高溫高濕的環(huán)境下，水汽穿透場效應管的環(huán)氧膠粘合線進入管殼內(nèi)部，在電場集中的漏極區(qū)域水汽發(fā)生電化學反應對芯片造成腐蝕，最終引起參數(shù)退化。

超低噪聲場效應管；聚焦離子束；能譜分析；環(huán)氧密封

0 引 言

隨著現(xiàn)代微細加工技術(shù)的飛速發(fā)展,GaAs器件和單片微波集成電路(MMIC)不斷引入新的材料、結(jié)構(gòu)及工藝技術(shù),尺寸不斷縮小, 同時也引入新的失效模式和機理,使其可靠性研究及分析不斷面臨新的問題。一般來說,電應力、熱應力、化學應力、輻射應力、機械應力以及其他因素均可導致器件退化或失效[1]。

元器件的失效分析可借助各種測試技術(shù)、分析儀器和分析方法明確元器件的失效過程,分辨失效模式或機理,確定其最終失效原因，為提高元器件的可靠性提供依據(jù)及途徑。

本文通過對某失效超低噪聲場效應管進行不同條件下的參數(shù)測量、數(shù)據(jù)分析、熱成像分析、聚焦離子束(FIB)分析、能譜分析等，結(jié)合失效元器件的工藝特征以及失效時的工作環(huán)境，對失效原因進行推理假設，最后通過試驗的方法對失效原因進行了驗證。

1 故障現(xiàn)象

某廠家超低噪聲場效應管采用金屬陶瓷管殼環(huán)氧密封，柵寬250 μm，柵長0.25 μm，內(nèi)部芯片采用類金剛石碳膜鈍化工藝，有優(yōu)良的頻率特性和超低噪聲特性。該場效應管用于某振蕩器電路中，該產(chǎn)品經(jīng)過3～5年的使用，陸續(xù)有失效產(chǎn)品出現(xiàn)，現(xiàn)象一致，都是場效應管飽和漏電流下降、跨導下降和源漏電阻變大。對該產(chǎn)品典型失效樣管和3只合格樣管進行I-V特性及直流參數(shù)測試，結(jié)果如表1所示。

表1 合格器件與失效器件直流測試結(jié)果

由以上數(shù)據(jù)可以看出，該場效應管電流、跨導和夾斷電壓一致性很好，而失效器件正向起始電壓變大，n值變大，跨導和飽和漏電流下降出現(xiàn)參數(shù)退化。

2 失效器件故障樹定位及試驗結(jié)果

2.1 失效器件故障樹分析

由于失效元器件在裝機3～5年后出現(xiàn)參數(shù)退化的現(xiàn)象，考慮產(chǎn)品的工作模式及使用環(huán)境，分析導致其參數(shù)退化的可能原因，用故障樹法[2]分析失效原因如圖1所示。

首先分析低噪聲場效應管在振蕩電路中的直流工作點，電流電壓均在安全工作區(qū)，且場效應管電源電壓經(jīng)過穩(wěn)壓電路供電，因此可以排除過電應力的可能性。

場效應管結(jié)溫若長期工作在高溫區(qū)可能會導致跨導和飽和漏電流下降。如圖2所示，對振蕩電路中場效應管進行工作態(tài)紅外測試，溝道最高溫度為87℃，偏離最高溝道溫度175℃較遠，因此可以排除結(jié)溫過高造成參數(shù)退化。

為了進一步分析場效應管的失效原因，下面從器件電路結(jié)構(gòu)及機理進行分析。失效器件飽和漏電流明顯下降，跨導Gm下降，夾斷電壓Vp稍有升高，柵漏擊穿電壓|VBGDO| 明顯大幅度升高，柵漏二極管Vf升高，n值升高。如果柵極退化，正向起始電壓會變小乃至擊穿[3]。由于柵源擊穿沒有明顯變化,可以推測出柵沒有明顯退化，但是柵漏擊穿明顯變化，初步推測出柵漏之間的區(qū)域應該有退化或者異常。

MESFET器件結(jié)飽和漏電流的公式為：

(1)

依據(jù)該公式及場效應管機構(gòu)和工作原理，正常的器件源漏反接進行直流測試，源漏飽和電流應該變化不大[4]。但是如果器件漏區(qū)有問題，源漏飽和電流會相差明顯。對合格器件和失效器件進行了漏源反接直流測試，測試結(jié)果如表2所示。如圖3所示失效的器件I-V曲線顯示源漏正常連接的飽和電流明顯大于源漏反接的飽和電流，這從側(cè)面證明柵極本身沒有失效，而是柵漏之間的區(qū)域出現(xiàn)了問題。

表2 源漏反接直流測試結(jié)果

通過I-V特性分析，失效場效應管可能是柵漏之間區(qū)域的溝道層發(fā)生了退化，導致電阻增大，擊穿增大。因此對合格器件和失效器件進行聚焦離子束(FIB)分析。

在高倍顯微鏡下觀察正常器件及失效器件表面，正常元器件表面無異?，F(xiàn)象，所有失效元器件整個柵條偏漏，一邊區(qū)域鈍化層顏色異常，如圖4所示。

對2只失效器件和1只合格器件在掃描電鏡下分析，發(fā)現(xiàn)失效器件表面在柵漏之間區(qū)域的相同位置出現(xiàn)多余物，如圖5所示。失效產(chǎn)品柵條和漏極之間的鈍化層還觀察到鼓泡，正常器件表面沒有這些多余物。用FIB對正常件的柵漏區(qū)域進行剖切，剖面圖如圖6(a)所示，可以看到鈍化層與襯底、電極都粘附良好。對失效器件存在多余物的柵漏區(qū)域進行剖切，剖面圖如圖6(b)所示。由圖片可以看出，鈍化層有裂紋和空洞存在，在鈍化層上面柵極與漏極之間的區(qū)域有多余物存在。

從正常元器件的直流測試、芯片外觀、內(nèi)部剖切等方面分析可以排除場效應管自身缺陷導致長期使用后參數(shù)退化的原因。該場效應管所制振蕩器應用于某型號產(chǎn)品，在全國各地都有使用，但失效器件分布在南方悶熱地區(qū)，而且在夏天7～9月出現(xiàn)集中失效的現(xiàn)象，因此分析器件失效可能與使用環(huán)境有關(guān)系。

2.2 分析推理與試驗驗證

對失效場效應管鈍化層上多余物進行電子能譜分析，分析結(jié)果如圖7所示。多余物中鎳、氧元素含量很高。由于漏極金屬中含有鎳，并且鎳為活躍金屬，因此可以確定是鎳金屬在電場下遷移并聚集在該區(qū)域形成多余物。根據(jù)該器件的材料結(jié)構(gòu)和振蕩器原理分析，出現(xiàn)多余物的區(qū)域是電應力最集中的區(qū)域[5]。

為實現(xiàn)超低噪聲的指標，失效場效應管采用類金剛石碳膜作為鈍化層，該鈍化層比普通Si3N4的鈍化層薄[6]，因此更容易受到水汽的腐蝕。結(jié)合場效應管失效時期，均在外部環(huán)境潮濕時出現(xiàn)，因此可能是外界的水汽進入場效應管內(nèi)部對芯片造成腐蝕。

由于該器件采用環(huán)氧密封，采用環(huán)氧密封的封裝在初始時漏率可以低于1×10-8Pa·m3/或更小，然而雖然環(huán)氧在所有有機聚合物材料中是最好的，但它對濕氣和空氣中的氧仍有一定的漏氣性，隨著時間的推移，允許濕氣進入且累積在封裝中。

相關(guān)研究[7]表明，將濕敏元件封裝在環(huán)氧密封的陶瓷封裝中，以便動態(tài)監(jiān)測濕氣滲入，當封裝被暴漏于高溫、高濕條件下(98%RH和60℃)。雖然在最初的2～3天,封裝內(nèi)的濕度含量相當?shù)颓液愣?，然而在?天突然增加，然后持續(xù)地呈線性增加。由此，在高溫潮濕環(huán)境下水汽進入環(huán)氧密封的元器件僅僅是時間問題。

半導體和微電子器件的內(nèi)部水汽含量較高時, 當器件在環(huán)境溫度低于封裝內(nèi)部水汽的露點溫度條件下工作或貯存時, 水汽在芯片表面凝露而引起電參數(shù)漂移, 嚴重時還會由于電化學作用使半導體系統(tǒng)腐蝕失效[8]。

通過以上分析基本可以推測該低噪聲場效應管在長時間高溫高濕的環(huán)境下，水汽穿透場效應管的環(huán)氧膠粘合線進入管殼內(nèi)部，在電場集中的漏極區(qū)域水汽發(fā)生電化學反應，生成活躍的OH-離子和H+離子，這些活躍的離子透過薄的類金剛石碳鈍化層腐蝕漏極活躍金屬，并且金屬離子也會在電場下發(fā)生遷移，從而導致鈍化層變色或者多余物聚集等現(xiàn)象。而這些遷移過來的金屬氧化物又會造成溝道勢壘的加深，這樣就導致電流下降、跨導同比下降，源漏電阻變大等現(xiàn)象。

為驗證該推理，將正常場效應管裝入振蕩電路中，將振蕩器按照GJB150.9A-2009在工作態(tài)進行濕熱試驗，試驗進行6天后場效應管同樣出現(xiàn)參數(shù)退化的現(xiàn)象，其電參數(shù)及FIB試驗結(jié)果與失效元器件一致。

3 結(jié)束語

首先通過對失效場效應管進行故障樹剖析，初步確定失效原因與使用環(huán)境有關(guān)；其次結(jié)合失效場效應管鈍化層薄、環(huán)氧膠封等工藝特點以及高溫高濕的失效環(huán)境，推理并通過試驗驗證得出：低噪聲場效應管在長時間高溫高濕的環(huán)境下，水汽穿透場效應管的環(huán)氧膠粘合線進入管殼內(nèi)部，在電場集中的漏極區(qū)域，水汽發(fā)生電化學反應對芯片造成腐蝕，最終引起參數(shù)退化。

通過該超低噪聲場效應管參數(shù)退化原因的準確定位，將失效場效應管采用金屬陶瓷管殼進行氣密封裝，解決了電路的長期可靠性問題。

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Analysis of Parameter Degradation Failure of Ultra Low Noise Field-effect Transistor

HU Ming

(The CPLA Navy Military Representative Office of Aerospace System in Shanghai，Shanghai 200233，China)

The saturation drain current and transconductance parameters of a certain type of ultra low noise field-effect transistor decrease after 3～5 years of usage in region and period of both high temperature and high humidity.Firstly,this paper performs the electrical characteristic test,thermal imaging analysis,focused ion beam (FIB) analysis and energy spectrum analysis to the failure device,and excludes the possible failure causes such as over electric stress,high junction temperature and the disadvantages of the chip itself through the fault tree method;secondly,combining with the thin passivation layer of the failure field-effect transistor,the technology characteristics of epoxy sealing and special failure environment,uses inference and hypothesis to fetch the test validation result:water vapor will eventually penetrate the width of adhesive band line into the package cavity in the long-term effect of working environment with high temperature and high humidity,electrochemical reaction occurs in the drain region of the electric field to erode the chip which eventually causes parameter degradation.

ultra low noise field-effect transistor;focused ion beam;energy spectrum analysis;epoxy sealing

2016-11-23

TN386

B

CN32-1413(2017)02-0115-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.026