功率器件VDMOS渐变型IDSS散点失效分析

功率器件VDMOS渐变型IDSS散点失效分析
摘要：功率器件VDMOS电参数直接影响着器件工作性能，其电参数失效模式众多，其中源漏漏电IDSS最为常见，且其失效原因复杂，同时也最难解决。

本文就其中一种渐变型IDSS失效进行分析总结，并优化在线工艺，提升良率。

关键词：VDMOS、IDSS、BVDSS、P-Body推阱工艺、良率提升
一、源漏漏电失效模式及现象
某公司在2020年第二季度量产过程中，出现多批400V VDMOS产品IDSS
散点失效，导致良率大幅度降低。

其失效模式呈逐片晶圆递减式IDSS散点漏电，如图1.1所示：
图1.1400V VDMOS产品渐变型IDSS散点失效MAP
如图，该IDSS失效模式呈渐变型散点分布（MAP图中呈紫色管芯为IDSS失效管芯），生产过程流片模式为一整批产品24片晶圆同时作业，该失效模式其严重程度由第1片至第6片呈逐渐减轻趋势，其他片子同样存在IDSS散点失效；良率数据分布如图1.2所示：
图1.2400V VDMOS产品CP Yield
前6片良率很低，均在60%以下，其中#01号片良率接近为0%，IDSS失效占比83.8%。

此失效异常涉及一种产品一个电压层级，共影响3批72片，其中导致低良41片，折让14片。

二、失效原因分析
2.1测试数据分析
针对此异常，首先进行数据分析，将失效的3批数据与正常批次数据进行对比分析，结果如图2.1所示，(a)为IDSS 变异性图，失效异常批次IDSS 超规范管芯占比较大，源漏漏电严重，正常批次仅存在个别管芯IDSS 超规范；(b)为击穿电压BVDSS 变异性图，从图中可以看出，IDSS 失效异常批次，其击穿电压BV 整体较正常批次低，其中AE7638批次BVDSS 已接近下限，部分管芯超下限。

(a )IDSS 变异性图
(b )BVDSS 变异性图
图2.1失效异常批次与正常批次CP 参数变异性图
表2.1失效异常批次与正常批次BVDSS 均值对比
具体BV 均值如表2.1所示，从表中可以看出，IDSS 失效异常批次BVDSS 均值较低，其中AE7638批次BV 均值419V ，正常批次BVDSS 均值为458V ，差值为10-30V
之间。

其他参数无明显异常。

就上述数据分析，怀疑IDSS失效为BVDSS偏低导致。

因此选择其中一片进行放开IDSS规范进行测试，近一步分析。

2.2放开规范测试分析
将其中一片IDSS散点漏电异常片子，进行放开IDSS测试规范测试，BVDSS等高线图如图2.2所示，结果显示IDSS失效区域，其击穿电压BVDSS均低于410V，且击穿电压分布为中心高边缘低。

同时，对异常片进行手动探针台测试，分析其特性曲线。

对于IDSS失效管芯，其击穿特性曲线如图2.3所示，击穿电压BVDSS偏低，在410V左右，由于手动探针台与自动探针台测试存在微小偏差，因此自动台测试BVDSS偏大。

图2.2BVDSS等高线图
图2.3手动探针台测试BVDSS特性曲线
2.3失效机理分析
BVDSS和IDSS是衡量VDMOS器件正常工作时所能承受的最大漏源电压，以及此电压下的漏电大小，是判断器件漏源间沟道以及本征二极管的PN结状态的重要指标。

BVDSS定义为在栅极和源极接地时，在漏极与源极间施加反向电压，源漏极间电流为250uA时的电压值；IDSS定义为在栅极和源极接地时，漏极电压等于器件额定电压时的电流值，在400V VDMOS器件中，IDSS即为源漏间施加400V电压时的源漏极间的电流大小。

BVDSS与IDSS测试电路图相同，如图2.4所示。

图2.4BVDSS与IDSS测试电路图
由上述测试原理知，当器件击穿电压BVDSS不足时，漏源间电流会增大。

一般当400V产品测试IDSS时，若其击穿电压处于临界值，给源漏间施加400V偏压，其漏电流大于100nA时，即视为IDSS失效，因此400V产品IDSS漏电失效为BVDSS偏低导致。

图2.5VDMOS元胞结构图
高压VDMOS器件击穿机理主要是雪崩击穿，而其主要影响因素有两个：（1）元胞区的击穿主要由外延电阻率和外延厚度决定；（2）终端区域的击穿主要由终端设计和终端工艺影响。

由于该400V产品为我司量产产品，终端设计及工艺为成熟工艺，因此排除该次击穿耐压不足由终端工艺异常导致。

VDMOS元胞结构如图2.5所示，元胞区的耐压最主要受外延层电阻率和外延厚度影响，其次是栅条长度和P-Body的结深会间接影响可以耗尽的外延层区域以及P-Body间距，理论上提高元胞区耐压方式，除了增加外延电阻率和外延厚度，还可以通过减少栅条长度，以及增大P-Body结深以减小P-Body 间距来实现。

由于400V外延规格一定，且不同批次外延均出现上述IDSS失效问题，因此排除外延参数波动引起的BVDSS偏低；其次，该器件结构设计已固化，因此栅条长度的影响也不存在；P-Body的结深主要受在线P-Body推阱温度的影响，当推阱炉管温度存在波动时，将会影响最终器件电参数。

因此，此次由于BVDSS偏低导致的IDSS 失效，主要由P-Body推阱温度偏低导致。

三、P-Body推阱工艺优化实验及结果
3.1低良分析验证
基于上述分析，怀疑导致BVDSS偏低的原因为P-Body推阱温度偏低，对异常批次在线P-Body推阱工艺步进行调查，发现三批异常批次均用同一推阱炉管作业，且均位于炉管炉口位置。

同时，对三批异常批次的同炉批次进行数据对比，IDSS和BVDSS 变异性图如图3.1所示，其中炉口位置为失效异常批次。

图3.1同炉批次IDSS和BVDSS变异性图
上述数据显示，位于炉口位置的批次其IDSS漏电情况严重，炉中炉尾位置的批次仅存在个别点IDSS漏电。

炉口位置批次的BVDSS呈逐片上升趋势，整批BVDSS均值为417V，其中前六片BVDSS最低，导致IDSS失效严重；而炉中位置批次BVDSS数值处于同一水平线，均值为444V；炉尾位置批次BVDSS最高，且片间数据稳定，均值达449V。

造成同炉批次不同位置批次数据存在差异的原因为炉管温区分布有偏差，炉口到炉尾位置温度依次升高，当炉管温度波动时，若炉口位置炉温达不到工艺所需温度，则将影响产品P-Body推阱结深不足，使得P-Body间距偏大，从而导致产品BVDSS偏低，IDSS漏电增大。

3.2在线400V产品数据分析及可行性验证
对VDMOS器件来说，考虑足够高的源漏击穿电压BVDSS的同时也要考虑到导通
电阻RDON足够低，两个VDMOS器件关键参数之间相互联系，又相互矛盾。

因此为解决因P-Body推阱温度较低导致的击穿电压不足问题，需要验证提高在线400V产品P-Body推阱温度时导通电阻RDON的容余量是否充足。

对异常失效批次和正常批次的BVDSS与RDON数据进行拟合分析，其拟合图如图3.2(a)所示，同时对正常批次RDON 的数值分布进行分析，结果如图3.2(b)所示，从图中可以看出，RDSON最大值0.52Ω距上限0.06Ω，中位值为0.49Ω，距上限0.09Ω。

因此，若提高P-Body推阱温度以提高BVDSS 时，RDON有足够的容余量，即可通过提高推阱温度的方式获得更高的击穿电压，解决400V IDSS漏电问题。

图3.2(a)400V产品BVDSS和RDON拟合图图3.2(b)正常批次RDON分布图3.3在线400V产品P-Body推阱温度变更及数据分析
为防止推阱炉管温度波动对产品CP参数造成的影响，将在线400V产品的P-Body 推阱温度由现有的1100℃提高为1115℃,并对工艺变更前后数据进行对比分析。

温度变更前后各批次IDSS与BVDSS变异性图如图3.3所示，图3.3（a）为IDSS 变异性图，从图中可以看出，当温度为1100℃时，同一产品IDSS数据离散，漏电严重；当温度提高为1115℃时，IDSS漏电情况明显得到改善，数据收敛。

图3.3（b）为BVDSS 变异性图，数据显示，当温度为1100℃时，同一产品批次间击穿电压BVDSS波动较大，且批内数据离散；当温度为1115℃时，批次间BVDSS数值稳定，均值达452V，且收敛性较好。

图3.3（a）P-Body推阱工艺优化前后400V产品IDSS变异性图
图3.3（b）P-Body推阱工艺优化前后400V产品BVDSS变异性图
对P-Body推阱工艺优化前后的BVDSS与RDON进行拟合，如图3.4所示，图中显示，1115℃时，其击穿电压与导通电阻的线性关系较好，说明1115℃时工艺稳定性良好；同时对工艺优化前后的BVDSS数值分布进行对比，如图3.5所示，图（a）
为1100℃时400V产品数据分布，BVDSS在400V至470V之间进行波动，离散性较大，中位数为436V，下四分位数为429V；图（b）为1115℃时400V产品数据分布图，由图可知，当P-Body推阱温度提高时，其BVDSS仅在440V与465V之间波动，数据收敛性好，其中位数为452V，下四分位数为450V，数据分布符合正态分布。

图3.4P-Body推阱温度优化前后的BVDSS与RDON拟合图
（a）1100℃(b)1115℃
图3.5400V产品不同P-Body推阱温度下的BVDSS分布图
对优化P-Body推阱工艺前后400V产品良率进行对比，如图3.6所示，优化后400V产品平均良率有显著提升，且良率稳定，平均良率为96.5%，比工艺优化前良率提升了15%。

图3.6VDMOS400V产品平均良率趋势图
四、结论
在线400V VDMOS产品出现渐变型IDSS散点失效，为击穿电压BVDSS偏低导致。

当P-Body推阱炉管温度波动时，炉口位置温度达不到工艺所需温度，导致BVDSS偏低。

对400V产品P-Body推阱工艺进行优化，提高主工艺温度至
1115℃后，BVDSS明显得到提升，解决了在线400V产品渐变型IDSS散点漏电问题，良率提升15%，平均良率达96.5%。