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通过系统的可靠性保证实现高可靠GaN射频功率器件的大规模生产

2018-04-10 来源：微波射频网字号：大中小

摘要：

氮化镓功率器件因其优良的性能而被广泛应用于基础工业（如通讯基站）和国防领域（如雷达），然而其高功率耗散及可能的恶劣工作环境又对可靠性提出了更高要求。能讯高能半导体作为处于产业链上游的企业，始终把产品可靠性放在一切工作的首位，通过引入系统的可靠性保证体系，确保出货的每一批产品都能满足客户应用对可靠性提出的高要求。本短文将对能讯半导体保证产品可靠性所采取的方法、步骤及可靠性实验结果做一简要介绍。

1、前言

氮化镓射频器件能够突破硅基器件的理论极限，实现高频率/宽频带、高功率、高电压、高效率及高使用温度的特性，而被逐渐广泛应用于移动通信行业。移动通讯基站要求器件在额定电压下长期连续工作，因而可靠性成为GaN器件能否得到广泛应用的一个关键因素。

能讯半导体专注于第三代半导体器件的设计和生产。其基于SiC衬底的GaN射频产品覆盖了10W到700W之间的功率等级、DC到6GHz之间的移动通信频段。能讯充分理解电子元器件可靠性对设备制造商和最终用户的重要性，从而将保证产品质量及可靠性放在一切工作的首位。

2、能讯产品可靠性保证方法

能讯半导体产品的可靠性是通过一个系统工程来保证的，从产品设计、可靠性鉴定、器件生产到筛选测试，以及工艺、产品的可靠性监控，每一个环节都按严格的程序进行，确保出货产品都能够达到最高可靠性标准。高可靠性既是针对器件苛刻电学工作条件（大电流、高电压、大功率起伏），也是针对极端气候条件（高低温、高潮湿等等），使能讯产品能满足不同客户的需要。

2.1 可靠性设计

在产品设计中充分考虑可靠性失效物理相关的设计规则，以规范产品设计行为，从而保证所有失效机理在相应工作环境下达到应用要求的工作寿命。通过可靠性设计提高产品的寿命，使产品有效工作时间延长，实现如图1浴盆曲线耗损失效期延后（红色虚线延后至绿色实线）；同时进行Smart Screening筛选降低早期失效率，从而减少浴盆曲线的早期失效（红色虚线降低至绿色实线）。

图1、产品寿命曲线和应用要求

2.2 可靠性鉴定

产品可靠性鉴定方案覆盖整个产品应用的任务剖面：包括工作的电学和使用环境。可靠性实验包括与产品长期寿命相关的可靠性实验和产品耐受性实验。前者为模拟产品在寿命过程中的电学应力、热-机械、环境（潮湿、温度），后者用于检验产品对环境、过压电应力、静电等的承受能力。

能讯可靠性实验室具有满足GaN技术的先进可靠性实验平台，能完成所有相关的可靠性实验。图2为能讯可靠性实验室部分设备。

图2、能讯可靠性实验室一角

以下举例介绍几项关键产品可靠性实验。

·    直流高温运行寿命实验（DC-HTOL），用来评估产品长时间工作于规定的高结温和电应力下的可靠性。实验为在漏极施加1.1VDD，结温225℃下运行1008小时。（JESD22-A108）
·    高温反偏实验（HTRB），评估产品在高温过电压、关断状态的可靠性。在产品的关断状态，栅极附近的高电场和高结温可能在栅极近漏极端的边缘处造成不可逆转的损坏。实验为在栅漏间上施加2.5倍VDD以上电压，Ta=150℃下运行1008小时。（JESD22-A108）
·    平均寿命实验（MTTF）用于评估产品的本征寿命。采用极高的加速实验条件设置（更高的结温），促成受测器件组在有限的应力时间内达到失效，得到这个实验条件下的寿命平均值。将在三个不同温度下得到的MTTF值拟合、外推，得到器件标称工作结温下的平均寿命。（JEP-118）
·    静电-人体模型（ESD-HBM），用于鉴定产品遭受人体静电放电后，产品性能是否失效。（JS-001）
·    静电-器件充放电模型（ESD-CDM），用于鉴定产品产品自身对外进行静电放电后，产品性能是否失效。（JESD22-C101）

…

产品可靠性实验的部分结果如表1所示。

表1 产品可靠性实验部分结果

实验项目	简称	应力条件/要求	鉴定结果
栅源安全电压范围	V_{GS limits}	-10V～2V	通过
漏源击穿电压	V_br	关断状态下，≥150V	通过
栅源临界电压	V_{GS critical}	≥24V	通过
输出失配承受力	VSWR	VSWR=10:1；	通过
过功率压缩步进实验	P_com	线性增益压缩7dB	通过
静电-人体模型	ESD-HBM	依据标准JS-001	通过(500 V)
静电-器件充放电模型	ESD-CDM	依据标准JESD22-C101	通过(500 V)
潮敏等级	MSL	依据标准J-STD-020，通过MSL1	通过
直流高温运行寿命实验	DC-HTOL	依据标准JESD22-A108； T_j = 225 ℃，1.1*VDD，1008小时	通过
功率循环实验	Power Cycling	依据标准JESD22-A122；11000次循环	通过
高温反偏实验	HTRB	依据标准JESD22-A108；大于2.5*VDD，T_a= 150 ℃，1008小时	通过
温度循环实验	TMCL	依据标准JESD22-A104；-65 ℃～150 ℃， 500次循环	通过
高加速应力实验	HAST	依据标准JESD22-A110； 1.1*VDD，130 ℃& 85 % R.H，96小时	通过
平均寿命实验	MTTF	依据标准JEP118，三温度法	T_j=225^oC下MTTF=1.6×10⁶ 小时

表中产品级可靠性实验结果显示能讯GaN HEMT系列产品的高可靠性，能满足基础工业应用的可靠性要求。

以下对关键的3项长期可靠性实验结果做简单介绍。

· 直流高温运行寿命实验（DC-HTOL）前后漏电特性、射频特性变化举例如图3所示，应力实验后样品特性没有退化。

图3、DC-HTOL实验前后样品特性变化对比

· 高温反偏实验（HTRB）在线实时检测I_g漏电曲线如图4所示。在1008小时的应力过程中，样品在线Ig漏电持续降低或保持平稳，表明GaN HEMT器件优秀的耐受高温反偏能力。

图4、HTRB实验在线I_g漏电随实验时间变化

· 平均寿命实验（MTTF）由3温度实验法推定产品的长期寿命，三组实验结温设置在330℃到380℃之间。由实验得到的产品MTTF和器件结温关系如图5所示，结温225℃的MTTF大于10⁶小时。

图5、产品MTTF和器件结温关系

2.3 生产可靠性监控

为确保已验证的产品可靠性结果在大规模生产阶段得以重现并不断提高，对工艺技术平台和产品进行可靠性监控，包括晶圆级快速可靠性监控和产品级可靠性监控。晶圆级快速可靠性对每批次都进行抽样检验，产品级可靠性鉴定依据实验项的风险等级分别进行季度监控、半年度监控、年度监控。图6为晶圆级快速可靠性鉴定-快速电学鉴定实验关键参数（I_d变化率）的SPC管制图。CPK=1.87标示能讯具有良好的保证高可靠性产品生产的工程能力。

图6、快速电学鉴定关键参数（I_d变化率）的管制图

3、可靠性的不断改进

能讯在保证已实现的产品可靠性的基础上，持续寻找器件的相对薄弱环节、确定失效机理，并进一步做出改进，不断提高产品的可靠性。图7为可靠性持续改进的示例，图7a为改进前器件的EMMI照片，图中的亮点为器件的薄弱点。通过物理分析确认了失效机理并做出了改进，改进后器件的EMMI图片如图7b所示，薄弱点被消除，可靠性提升。