超低噪声场效应晶体管参数退化失效分析

胡 明

(海军驻上海地区航天系统军事代表室，上海 200233)



超低噪声场效应晶体管参数退化失效分析

胡 明

(海军驻上海地区航天系统军事代表室，上海 200233)

某型号超低噪声场效应管使用3～5年后，在气候潮热区域和时期会集中出现饱和漏电流、跨导减小的参数退化现象。首先对失效器件进行了电特性测试、热成像分析、聚焦离子束(FIB)分析、能谱分析，通过故障树法排除了过电应力、结温过高、芯片自身缺陷等可能失效原因；其次结合失效场效应管钝化层薄、环氧胶封等工艺特点以及特殊的失效环境，通过推理假设，最终试验验证得出：低噪声场效应管在长时间高温高湿的环境下，水汽穿透场效应管的环氧胶粘合线进入管壳内部，在电场集中的漏极区域水汽发生电化学反应对芯片造成腐蚀，最终引起参数退化。

超低噪声场效应管；聚焦离子束；能谱分析；环氧密封

0 引 言

随着现代微细加工技术的飞速发展,GaAs器件和单片微波集成电路(MMIC)不断引入新的材料、结构及工艺技术,尺寸不断缩小, 同时也引入新的失效模式和机理,使其可靠性研究及分析不断面临新的问题。一般来说,电应力、热应力、化学应力、辐射应力、机械应力以及其他因素均可导致器件退化或失效[1]。

元器件的失效分析可借助各种测试技术、分析仪器和分析方法明确元器件的失效过程,分辨失效模式或机理,确定其最终失效原因，为提高元器件的可靠性提供依据及途径。

本文通过对某失效超低噪声场效应管进行不同条件下的参数测量、数据分析、热成像分析、聚焦离子束(FIB)分析、能谱分析等，结合失效元器件的工艺特征以及失效时的工作环境，对失效原因进行推理假设，最后通过试验的方法对失效原因进行了验证。

1 故障现象

某厂家超低噪声场效应管采用金属陶瓷管壳环氧密封，栅宽250 μm，栅长0.25 μm，内部芯片采用类金刚石碳膜钝化工艺，有优良的频率特性和超低噪声特性。该场效应管用于某振荡器电路中，该产品经过3～5年的使用，陆续有失效产品出现，现象一致，都是场效应管饱和漏电流下降、跨导下降和源漏电阻变大。对该产品典型失效样管和3只合格样管进行I-V特性及直流参数测试，结果如表1所示。

表1 合格器件与失效器件直流测试结果

由以上数据可以看出，该场效应管电流、跨导和夹断电压一致性很好，而失效器件正向起始电压变大，n值变大，跨导和饱和漏电流下降出现参数退化。

2 失效器件故障树定位及试验结果

2.1 失效器件故障树分析

由于失效元器件在装机3～5年后出现参数退化的现象，考虑产品的工作模式及使用环境，分析导致其参数退化的可能原因，用故障树法[2]分析失效原因如图1所示。

首先分析低噪声场效应管在振荡电路中的直流工作点，电流电压均在安全工作区，且场效应管电源电压经过稳压电路供电，因此可以排除过电应力的可能性。

场效应管结温若长期工作在高温区可能会导致跨导和饱和漏电流下降。如图2所示，对振荡电路中场效应管进行工作态红外测试，沟道最高温度为87℃，偏离最高沟道温度175℃较远，因此可以排除结温过高造成参数退化。

为了进一步分析场效应管的失效原因，下面从器件电路结构及机理进行分析。失效器件饱和漏电流明显下降，跨导Gm下降，夹断电压Vp稍有升高，栅漏击穿电压|VBGDO| 明显大幅度升高，栅漏二极管Vf升高，n值升高。如果栅极退化，正向起始电压会变小乃至击穿[3]。由于栅源击穿没有明显变化,可以推测出栅没有明显退化，但是栅漏击穿明显变化，初步推测出栅漏之间的区域应该有退化或者异常。

MESFET器件结饱和漏电流的公式为：

(1)

依据该公式及场效应管机构和工作原理，正常的器件源漏反接进行直流测试，源漏饱和电流应该变化不大[4]。但是如果器件漏区有问题，源漏饱和电流会相差明显。对合格器件和失效器件进行了漏源反接直流测试，测试结果如表2所示。如图3所示失效的器件I-V曲线显示源漏正常连接的饱和电流明显大于源漏反接的饱和电流，这从侧面证明栅极本身没有失效，而是栅漏之间的区域出现了问题。

表2 源漏反接直流测试结果

通过I-V特性分析，失效场效应管可能是栅漏之间区域的沟道层发生了退化，导致电阻增大，击穿增大。因此对合格器件和失效器件进行聚焦离子束(FIB)分析。

在高倍显微镜下观察正常器件及失效器件表面，正常元器件表面无异常现象，所有失效元器件整个栅条偏漏，一边区域钝化层颜色异常，如图4所示。

对2只失效器件和1只合格器件在扫描电镜下分析，发现失效器件表面在栅漏之间区域的相同位置出现多余物，如图5所示。失效产品栅条和漏极之间的钝化层还观察到鼓泡，正常器件表面没有这些多余物。用FIB对正常件的栅漏区域进行剖切，剖面图如图6(a)所示，可以看到钝化层与衬底、电极都粘附良好。对失效器件存在多余物的栅漏区域进行剖切，剖面图如图6(b)所示。由图片可以看出，钝化层有裂纹和空洞存在，在钝化层上面栅极与漏极之间的区域有多余物存在。

从正常元器件的直流测试、芯片外观、内部剖切等方面分析可以排除场效应管自身缺陷导致长期使用后参数退化的原因。该场效应管所制振荡器应用于某型号产品，在全国各地都有使用，但失效器件分布在南方闷热地区，而且在夏天7～9月出现集中失效的现象，因此分析器件失效可能与使用环境有关系。

2.2 分析推理与试验验证

对失效场效应管钝化层上多余物进行电子能谱分析，分析结果如图7所示。多余物中镍、氧元素含量很高。由于漏极金属中含有镍，并且镍为活跃金属，因此可以确定是镍金属在电场下迁移并聚集在该区域形成多余物。根据该器件的材料结构和振荡器原理分析，出现多余物的区域是电应力最集中的区域[5]。

为实现超低噪声的指标，失效场效应管采用类金刚石碳膜作为钝化层，该钝化层比普通Si3N4的钝化层薄[6]，因此更容易受到水汽的腐蚀。结合场效应管失效时期，均在外部环境潮湿时出现，因此可能是外界的水汽进入场效应管内部对芯片造成腐蚀。

由于该器件采用环氧密封，采用环氧密封的封装在初始时漏率可以低于1×10-8Pa·m3/或更小，然而虽然环氧在所有有机聚合物材料中是最好的，但它对湿气和空气中的氧仍有一定的漏气性，随着时间的推移，允许湿气进入且累积在封装中。

相关研究[7]表明，将湿敏元件封装在环氧密封的陶瓷封装中，以便动态监测湿气渗入，当封装被暴漏于高温、高湿条件下(98%RH和60℃)。虽然在最初的2～3天,封装内的湿度含量相当低且恒定，然而在第3天突然增加，然后持续地呈线性增加。由此，在高温潮湿环境下水汽进入环氧密封的元器件仅仅是时间问题。

半导体和微电子器件的内部水汽含量较高时, 当器件在环境温度低于封装内部水汽的露点温度条件下工作或贮存时, 水汽在芯片表面凝露而引起电参数漂移, 严重时还会由于电化学作用使半导体系统腐蚀失效[8]。

通过以上分析基本可以推测该低噪声场效应管在长时间高温高湿的环境下，水汽穿透场效应管的环氧胶粘合线进入管壳内部，在电场集中的漏极区域水汽发生电化学反应，生成活跃的OH-离子和H+离子，这些活跃的离子透过薄的类金刚石碳钝化层腐蚀漏极活跃金属，并且金属离子也会在电场下发生迁移，从而导致钝化层变色或者多余物聚集等现象。而这些迁移过来的金属氧化物又会造成沟道势垒的加深，这样就导致电流下降、跨导同比下降，源漏电阻变大等现象。

为验证该推理，将正常场效应管装入振荡电路中，将振荡器按照GJB150.9A-2009在工作态进行湿热试验，试验进行6天后场效应管同样出现参数退化的现象，其电参数及FIB试验结果与失效元器件一致。

3 结束语

首先通过对失效场效应管进行故障树剖析，初步确定失效原因与使用环境有关；其次结合失效场效应管钝化层薄、环氧胶封等工艺特点以及高温高湿的失效环境，推理并通过试验验证得出：低噪声场效应管在长时间高温高湿的环境下，水汽穿透场效应管的环氧胶粘合线进入管壳内部，在电场集中的漏极区域，水汽发生电化学反应对芯片造成腐蚀，最终引起参数退化。

通过该超低噪声场效应管参数退化原因的准确定位，将失效场效应管采用金属陶瓷管壳进行气密封装，解决了电路的长期可靠性问题。

[1] 崔晓英，黄云.GaAs器件和MMIC的失效分析[J].失效分析与预防，2010,5(3):187-192.

[2] 朱继洲．故障树原理和应用[M].西安:西安交通大学出版社，2003.

[3] 费庆宇.MOS器件栅氧化层X辐照损伤和静电损伤的机理研究[C]//中国电子学会可靠性分会：1998电子产品防护技术研讨会论文集.庐山，1998:223-224.

[4] 谢嘉奎.电子线路——线性部分[M].北京：高等教育出版社,2003.

[5] GREBENNIKOV A.射频与微波晶体管振荡器设计.[M].许立群,李哲英,钮文良译.北京：机械工业出版社，2009：37-39.

[6] 丁丽，严如岳,何秀坤，等.Si3N4钝化层质量分析研究[J].半导体技术，2009,34(2):142-145.

[7] LICARI J J,ENLOW L R.混合微电路技术手册[M].朱瑞廉译.北京：电子工业出版社，2004.

[8] FUJITA Y,KOKUDA M.Hermetic sealing peocess with atmospheric pressure vibration for LSI packages[J].IEEE Transactions on Components,Hybrids and Manufacturing Technology,1991,14(4):714-717.

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