基于系統(tǒng)的可靠性保證實現(xiàn)GaN射頻功率器件產(chǎn)品的高可靠性

氮化鎵功率器件因其優(yōu)良的性能而被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)工業(yè)（如通訊基站）和國防領(lǐng)域（如雷達），然而其高功率耗散及可能的惡劣工作環(huán)境又對可靠性提出了更高要求。能訊高能半導(dǎo)體作為處于產(chǎn)業(yè)鏈上游的企業(yè)，始終把產(chǎn)品可靠性放在一切工作的首位，通過引入系統(tǒng)的可靠性保證體系，確保出貨的每一批產(chǎn)品都能滿足客戶應(yīng)用對可靠性提出的高要求。本短文將對能訊半導(dǎo)體保證產(chǎn)品可靠性所采取的方法、步驟及可靠性實驗結(jié)果做一簡要介紹。

1、前言

氮化鎵射頻器件能夠突破硅基器件的理論極限，實現(xiàn)高頻率/寬頻帶、高功率、高電壓、高效率及高使用溫度的特性，而被逐漸廣泛應(yīng)用于移動通信行業(yè)。移動通訊基站要求器件在額定電壓下長期連續(xù)工作，因而可靠性成為GaN器件能否得到廣泛應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素。

能訊半導(dǎo)體專注于第三代半導(dǎo)體器件的設(shè)計和生產(chǎn)。其基于SiC襯底的GaN射頻產(chǎn)品覆蓋了10W到700W之間的功率等級、DC到6GHz之間的移動通信頻段。能訊充分理解電子元器件可靠性對設(shè)備制造商和最終用戶的重要性，從而將保證產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性放在一切工作的首位。

2、能訊產(chǎn)品可靠性保證方法

能訊半導(dǎo)體產(chǎn)品的可靠性是通過一個系統(tǒng)工程來保證的，從產(chǎn)品設(shè)計、可靠性鑒定、器件生產(chǎn)到篩選測試，以及工藝、產(chǎn)品的可靠性監(jiān)控，每一個環(huán)節(jié)都按嚴格的程序進行，確保出貨產(chǎn)品都能夠達到最高可靠性標(biāo)準。高可靠性既是針對器件苛刻電學(xué)工作條件（大電流、高電壓、大功率起伏），也是針對極端氣候條件（高低溫、高潮濕等等），使能訊產(chǎn)品能滿足不同客戶的需要。

2.1 可靠性設(shè)計

在產(chǎn)品設(shè)計中充分考慮可靠性失效物理相關(guān)的設(shè)計規(guī)則，以規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計行為，從而保證所有失效機理在相應(yīng)工作環(huán)境下達到應(yīng)用要求的工作壽命。通過可靠性設(shè)計提高產(chǎn)品的壽命，使產(chǎn)品有效工作時間延長，實現(xiàn)如圖1浴盆曲線耗損失效期延后（紅色虛線延后至綠色實線）；同時進行Smart Screening篩選降低早期失效率，從而減少浴盆曲線的早期失效（紅色虛線降低至綠色實線）。

圖1、產(chǎn)品壽命曲線和應(yīng)用要求

2.2 可靠性鑒定

產(chǎn)品可靠性鑒定方案覆蓋整個產(chǎn)品應(yīng)用的任務(wù)剖面：包括工作的電學(xué)和使用環(huán)境?？煽啃詫嶒灠ㄅc產(chǎn)品長期壽命相關(guān)的可靠性實驗和產(chǎn)品耐受性實驗。前者為模擬產(chǎn)品在壽命過程中的電學(xué)應(yīng)力、熱-機械、環(huán)境（潮濕、溫度），后者用于檢驗產(chǎn)品對環(huán)境、過壓電應(yīng)力、靜電等的承受能力。

能訊可靠性實驗室具有滿足GaN技術(shù)的先進可靠性實驗平臺，能完成所有相關(guān)的可靠性實驗。圖2為能訊可靠性實驗室部分設(shè)備。

圖2、能訊可靠性實驗室一角

以下舉例介紹幾項關(guān)鍵產(chǎn)品可靠性實驗。

·??? 直流高溫運行壽命實驗（DC-HTOL），用來評估產(chǎn)品長時間工作于規(guī)定的高結(jié)溫和電應(yīng)力下的可靠性。實驗為在漏極施加1.1VDD，結(jié)溫225℃下運行1008小時。（JESD22-A108）
·??? 高溫反偏實驗（HTRB），評估產(chǎn)品在高溫過電壓、關(guān)斷狀態(tài)的可靠性。在產(chǎn)品的關(guān)斷狀態(tài)，柵極附近的高電場和高結(jié)溫可能在柵極近漏極端的邊緣處造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。實驗為在柵漏間上施加2.5倍VDD以上電壓，Ta=150℃下運行1008小時。（JESD22-A108）
·??? 平均壽命實驗（MTTF）用于評估產(chǎn)品的本征壽命。采用極高的加速實驗條件設(shè)置（更高的結(jié)溫），促成受測器件組在有限的應(yīng)力時間內(nèi)達到失效，得到這個實驗條件下的壽命平均值。將在三個不同溫度下得到的MTTF值擬合、外推，得到器件標(biāo)稱工作結(jié)溫下的平均壽命。（JEP-118）
·??? 靜電-人體模型（ESD-HBM），用于鑒定產(chǎn)品遭受人體靜電放電后，產(chǎn)品性能是否失效。（JS-001）
·??? 靜電-器件充放電模型（ESD-CDM），用于鑒定產(chǎn)品產(chǎn)品自身對外進行靜電放電后，產(chǎn)品性能是否失效。（JESD22-C101）

…

產(chǎn)品可靠性實驗的部分結(jié)果如表1所示。

表1 產(chǎn)品可靠性實驗部分結(jié)果

實驗項目?簡稱?應(yīng)力條件/要求?鑒定結(jié)果?

柵源安全電壓范圍 ? VGS limits ? -10V～2V ? 通過 ?
漏源擊穿電壓 ? Vbr ? 關(guān)斷狀態(tài)下，≥150V ? 通過 ?
柵源臨界電壓 ? VGS critical ? ≥24V ? 通過 ?
輸出失配承受力 ? VSWR ? VSWR=10:1； ? 通過 ?
過功率壓縮步進實驗 ? Pcom ? 線性增益壓縮7dB ? 通過 ?
靜電-人體模型 ? ESD-HBM ? 依據(jù)標(biāo)準JS-001 ? 通過(500 V) ?
靜電-器件充放電模型 ? ESD-CDM ? 依據(jù)標(biāo)準JESD22-C101 ? 通過(500 V) ?
潮敏等級 ? MSL ? 依據(jù)標(biāo)準J-STD-020，通過MSL1 ? 通過 ?
直流高溫運行壽命實驗 ? DC-HTOL ? 依據(jù)標(biāo)準JESD22-A108；
Tj = 225 ℃，1.1*VDD，1008小時 ? 通過 ?
功率循環(huán)實驗 ? Power Cycling ? 依據(jù)標(biāo)準JESD22-A122；11000次循環(huán) ? 通過 ?
高溫反偏實驗 ? HTRB ? 依據(jù)標(biāo)準JESD22-A108；
大于2.5*VDD，Ta= 150 ℃，1008小時 ? 通過 ?
溫度循環(huán)實驗 ? TMCL ? 依據(jù)標(biāo)準JESD22-A104；-65 ℃～150 ℃，
500次循環(huán) ? 通過 ?
高加速應(yīng)力實驗 ? HAST ? 依據(jù)標(biāo)準JESD22-A110；
1.1*VDD，130 ℃& 85 % R.H，96小時 ? 通過 ?
平均壽命實驗 ? MTTF ? 依據(jù)標(biāo)準JEP118，三溫度法 ? Tj=225oC下MTTF=1.6×106
小時 ?

表中產(chǎn)品級可靠性實驗結(jié)果顯示能訊GaN HEMT系列產(chǎn)品的高可靠性，能滿足基礎(chǔ)工業(yè)應(yīng)用的可靠性要求。

以下對關(guān)鍵的3項長期可靠性實驗結(jié)果做簡單介紹。

·??? 直流高溫運行壽命實驗（DC-HTOL）前后漏電特性、射頻特性變化舉例如圖3所示，應(yīng)力實驗后樣品特性沒有退化。

圖3、DC-HTOL實驗前后樣品特性變化對比

·??? 高溫反偏實驗（HTRB）在線實時檢測Ig漏電曲線如圖4所示。在1008小時的應(yīng)力過程中，樣品在線Ig漏電持續(xù)降低或保持平穩(wěn)，表明GaN HEMT器件優(yōu)秀的耐受高溫反偏能力。

圖4、HTRB實驗在線Ig漏電隨實驗時間變化

·??? 平均壽命實驗（MTTF）由3溫度實驗法推定產(chǎn)品的長期壽命，三組實驗結(jié)溫設(shè)置在330℃到380℃之間。由實驗得到的產(chǎn)品MTTF和器件結(jié)溫關(guān)系如圖5所示，結(jié)溫225℃的MTTF大于106小時。

圖5、產(chǎn)品MTTF和器件結(jié)溫關(guān)系

2.3 生產(chǎn)可靠性監(jiān)控

為確保已驗證的產(chǎn)品可靠性結(jié)果在大規(guī)模生產(chǎn)階段得以重現(xiàn)并不斷提高，對工藝技術(shù)平臺和產(chǎn)品進行可靠性監(jiān)控，包括晶圓級快速可靠性監(jiān)控和產(chǎn)品級可靠性監(jiān)控。晶圓級快速可靠性對每批次都進行抽樣檢驗，產(chǎn)品級可靠性鑒定依據(jù)實驗項的風(fēng)險等級分別進行季度監(jiān)控、半年度監(jiān)控、年度監(jiān)控。圖6為晶圓級快速可靠性鑒定-快速電學(xué)鑒定實驗關(guān)鍵參數(shù)（Id變化率）的SPC管制圖。CPK=1.87標(biāo)示能訊具有良好的保證高可靠性產(chǎn)品生產(chǎn)的工程能力。

圖6、快速電學(xué)鑒定關(guān)鍵參數(shù)（Id變化率）的 管制圖

3、可靠性的不斷改進

能訊在保證已實現(xiàn)的產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)上，持續(xù)尋找器件的相對薄弱環(huán)節(jié)、確定失效機理，并進一步做出改進，不斷提高產(chǎn)品的可靠性。圖7為可靠性持續(xù)改進的示例，圖7a為改進前器件的EMMI照片，圖中的亮點為器件的薄弱點。通過物理分析確認了失效機理并做出了改進，改進后器件的EMMI圖片如圖7b所示，薄弱點被消除，可靠性提升。

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圖7、a改進前器件EMMI照片，b改進后器件EMMI照片

4、結(jié)論

本文總結(jié)了能訊保證產(chǎn)品可靠性所采取的方法、步驟及得到的可靠性實驗結(jié)果。通過系統(tǒng)的方法保證了GaN HEMT產(chǎn)品具有優(yōu)異的可靠性，完全滿足基礎(chǔ)工業(yè)應(yīng)用要求，并持續(xù)不斷提高以滿足顧客的不同需求。能訊半導(dǎo)體以高質(zhì)量的氮化鎵電子器件使客戶的最終產(chǎn)品實現(xiàn)非凡的使用價值和經(jīng)濟價值。