吴慧敏1 魏干1 王展杰2
1西安微晶微电子有限公司 陕西 西安 719000
2杭州士兰集成电路有限公司 浙江 杭州 310000
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
1 源漏漏电失效模式及现象
微晶微公司在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，共影响3批72片，低良41片。失效模式呈逐片晶圆递减式IDSS散点漏电，其MAP如图1所示，图中呈紫色管芯为IDSS失效管芯。
图1 400V VDMOS产品渐变型IDSS散点失效MAP
2 失效原因分析
2.1 测试数据分析
将失效批次与正常批次数据进行对比分析，结果如图2所示，(a) 为IDSS变异性图，异常批次源漏漏电严重，正常批次仅存在个别管芯IDSS失效；(b) 为击穿电压BVDSS变异性图，异常批次BVDS整体较正常批次低，其中AE7638批次BVDSS均值已接近下限为419V。正常批次BVDSS均值为458V，较异常批次高10-30V，其他参数无明显异常。因此怀疑IDSS失效为BVDSS偏低导致。选择其中一片进行不sort测试，近一步分析。
.png)
图2 失效异常批次与正常批次CP参数变异性图
2.2 测试分析
将异常片进行放开测试，BVDSS等高线图如图3所示，IDSS失效区域BVDSS均低于410V，分布为中心高边缘低。IDSS失效管芯的击穿特性曲线如图4所示，击穿电压BVDSS偏低，在410V以下。
.png)
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【1】。BVDSS与IDSS测试电路图相同，如图5所示。
图5 BVDSS与IDSS测试电路图
当器件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6 VDMOS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，因此排除终端异常。VDMOS元胞结构如图6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，即提高元胞区耐压方式，除了增加外延电阻率和厚度，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【2】。由于400V外延规格一定，且不同批次外延均出现失效异常，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。由此可推断此异常主要由P-Body推阱温度偏低导致。
3 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，对在线P-Body推阱工艺步进行调查，发现三批异常批次均用同一炉管作业，且均位于炉口位置。将异常批次的同炉批次进行数据对比，其IDSS和BVDSS变异性图如图7所示，其中炉口位置为失效异常批次。
图7 同炉批次IDSS和BVDSS变异性图
结果显示，位于炉口的批次IDSS漏电严重，炉中炉尾批次无异常。炉口批次的BVDSS呈逐片上升趋势，整批BVDSS均值为417V，其中前六片BVDSS最低；而炉中批次BVDSS数值处于同一水平线，均值为444V；炉尾批次BVDSS最高，且片间数据稳定，均值达449V。同炉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，炉口到炉尾温度依次升高，当炉管温度波动时，炉口温度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 400V产品P-Body推阱工艺变更及数据分析
为解决此问题，将400V产品的P-Body推阱温度由现有的1100℃提高为1115℃，并对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8所示，（a）为IDSS变异性图，当温度为1100℃时，IDSS数据离散，漏电严重；当温度提高为1115℃时，IDSS失效明显得到改善，数据收敛。（b）为BVDSS变异性图，当温度为1100℃时，批间BVDSS波动较大，批内数据离散；当温度为1115℃时，批间BVDSS数值稳定，均值达452V，且收敛性较好。
.png)
图8 P-Body推阱工艺优化前后400V产品IDSS和BVDSS变异性图
对优化P-Body推阱工艺前后400V产品良率进行对比，如图9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%。
.png)
图9 VDMOS 400V产品平均良率趋势图
4 结论
在线400V VDMOS产品出现渐变型IDSS散点失效，为BVDSS偏低导致。当P-Body推阱炉管温度波动时，炉口温度不足，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%。
参考文献：
【1】李明.姚雪霞.曹婷.刘国梁. VDMOS器件参数及IDSS失效问题研究[J].现代信息技术.2020.3.26. 10(6):27-30
【2】王淼.高压VDMOS功率器件工艺优化研究[B].西安电子科技大学.2017.6.36-37
第一作者简介：吴慧敏，女，1992年12月生，甘肃通渭人，研究生，工程师。主要从事领域：功率器件产品开发与工艺整合工作，同时负责产品失效分析与良率提升。