CN105373660A - 基于等效电路的晶体管可靠性表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于等效电路的晶体管可靠性表征方法，包括以下步骤：S1、根据晶体管类型确定晶体管的等效电路；S2、确定用于寿命加速试验的应力的类型和大小，并确定等效电路中的敏感参数退化模型；S3、对晶体管进行寿命加速测试；S4、定时采集晶体管的测试数据，提取等效电路敏感参数，得到等效电路敏感参数随应力和时间的变化关系；S5、对所述敏感参数退化模型中的待定常数进行拟合，得到完整敏感参数退化模型和完整等效电路；S6、对晶体管进行失效机制分析和可靠性分析。本发明可用于模拟器件失效机制对电路性能的影响，可以分析晶体管的失效机制，指导工艺改进，还可以预测晶体管的性能退化量和失效时间，缩短可靠性试验时间。

Description

基于等效电路的晶体管可靠性表征方法

技术领域

本发明属于可靠性评价技术领域，具体涉及一种基于等效电路的晶体管可靠性表征方法。

背景技术

晶体管器件的可靠性是晶体管应用的关键，是产品使用之前必须要解决的问题。目前常用的表征晶体管可靠性的方法，主要是通过可靠性寿命加速测试，根据测试数据随时间的变化趋势，外推得到器件在正常工作条件下的平均失效时间(MTTF)。晶体管器件的失效机制主要包括栅退化、欧姆接触退化、热电子效应、沟道退化等。晶体管工作时，造成器件退化和失效的原因并不只是一种失效机制的作用，而往往是多种失效机制共同作用。这种基于可靠性寿命加速测试的器件可靠性表征方法存在如下一些缺点，首先，它很难用于分析晶体管具体的失效机制；其次，不能反应晶体管性能退化对电路或者系统性能的影响；再者，需要长时间的应力加速测试，效率较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于等效电路的晶体管可靠性表征方法，该方法可以很好地解决现有表征方法难以分析失效机制、效率较低的问题。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种基于等效电路的晶体管可靠性表征方法，包括以下步骤：

S1、根据晶体管类型确定晶体管的等效电路；

S2、确定用于寿命加速试验的应力的类型和大小，并根据应力的类型确定等效电路中的敏感参数退化模型；

S3、根据应力的类型和大小对晶体管进行寿命加速测试；

S4、定时采集晶体管的测试数据，根据测试数据提取等效电路敏感参数，得到等效电路敏感参数随应力和时间的变化关系；

S5、根据变化关系对所述敏感参数退化模型中的待定常数进行拟合，得到完整敏感参数退化模型，并将完整敏感参数退化模型带入到所述等效电路中，得到晶体管的完整等效电路；

S6、根据完整敏感参数退化模型对晶体管进行失效机制分析，并根据完整等效电路对晶体管进行电路可靠性分析。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过可靠性测量试验中提取的晶体管敏感参数随应力和时间的变化趋势，可以用来分析器件的失效机制，指导工艺改进；

(2)可以根据提取的晶体管敏感参数的变化趋势，建立等效电路外推模型，可预测晶体管的性能退化量和失效时间，从而缩短可靠性试验时间，提高效率；

(3)将该方法建立的等效电路嵌入常用的电路仿真软件，可以模拟晶体管失效机制对电路乃至整个系统的影响，预测电路和系统的性能退化量和失效时间。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明实施例的GaAspHEMT典型的非线性等效电路拓扑。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

本发明提供一种基于等效电路的晶体管可靠性表征方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1：根据晶体管类型确定晶体管的等效电路。

晶体管类型包括双极晶体管，如BJT、HBT，场效应晶体管，如MOSFET、MESFET、HEMT等，晶体管的材料包括Si、GaAs、GaN、InP等；每种类型的晶体管对应的等效电路拓扑和参数表达式均不同。

本实施例以GaAspHEMT晶体管为例进行阐述，图2为GaAspHEMT典型的非线性等效电路拓扑，忽略了各电极的寄生电感和电容，图2中各个参数的意义如下：

I_ds(V_gs,V_ds)——受漏、栅电压控制的漏极电流源；

Q_gd(V_gs,V_ds)——受漏、栅电压控制的漏栅非线性储存电荷；

Q_gs(V_gs,V_ds)——受漏、栅电压控制的栅源非线性储存电荷；

Q_ds(V_ds)——受漏、源电压控制的非线性储存电荷；

R_in(V_gs,V_ds)——受漏、源电压控制的非线性电阻；

I_gd、I_gs——栅极肖特基二极管电流；

R_s、R_g、R_d——源极、栅极、漏极寄生电阻。

步骤S2：确定用于寿命加速试验的应力的类型和大小，并根据应力的类型确定所述等效电路中的敏感参数退化模型。

晶体管可靠性寿命加速试验所施加的应力类型一般有温度、电压及射频信号等，可以单个应力单独作用或者多种应力同时作用，应力的大小根据试验条件选取。本实施例选取温度为GaAspHEMT寿命加速试验的应力类型，将待测器件分为三组样品，分别施加不同的温度应力，大小分别为170℃、200℃和230℃。

晶体管等效电路中的敏感参数是指对晶体管性能影响最为明显的参数，同时，这些敏感参数也能直观的反应晶体管器件的失效机制。例如，对HEMT器件而言，它的敏感参数包括漏源电流I_ds、跨导g_m、栅极泄漏电流I_g、栅电阻R_g、源电阻R_s等；这些敏感参数与晶体管失效机制的关系有的是一对一的关系，有的是一对多的关系，需要具体分析，例如，栅极泄漏电流I_g可以反应栅肖特基接触退化的影响，R_s可以反应源极欧姆接触退化的影响，I_ds可以反应沟道退化及其它失效机制的综合影响等。

描述晶体管敏感参数退化模型主要有Arrhenius模型、逆幂率模型和Eyring模型，其中，Arrhenius模型只能处理热应力，逆幂率模型只能处理电应力，而Eyring模型及包括热应力也包括电应力，在实际使用时，需要根据寿命加速试验所选取的应力类型来选取适合的敏感参数退化模型。三种敏感参数退化模型的表达式分别为：

Arrhenius模型：

A＝a₁·e^E/KT(1)

式中，a₁是一个正常数，E是激活能，K是波尔兹曼常数，T为绝对温度。

逆幂率模型：

A＝a₂·V^-C(2)

式中，a₂是一个常数，V是电压应力，C是一个与激活能相关的正常数。

Eyring模型：

$A=\frac{a_3}{T}\exp \left(\frac{a_4}{KT}\right)\exp (a_5+\frac{a_6}{KT})---\left(3\right)$

式中，a₃，a₄，a₅，a₆是待定常数，由于此方法待定系数较多，所以所需应力类型和测试样品数量也较多。

另外，根据物质的反应速率关系式，可以将等效电路中的敏感参数随时间的退化关系表示为：

$B\left(t\right)=b\·e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}}}---\left(4\right)$

式中，b称为退化幅度常数，τ称为退化时间常数。

因此，晶体管等效电路中的敏感参数退化模型表示为：

F(t)＝A·B(t)(5)

GaAspHEMT晶体管等效电路中的敏感参数主要有漏极电流I_ds、源电阻R_s、栅电阻R_g。由于选取的应力类型为温度应力，因此采用Arrhenius模型来描述GaAspHEMT晶体管敏感参数随应力的退化关系，由式(5)得到GaAspHEMT晶体管敏感参数退化模型可以表示为：

$I_{ds}=I_{ds0}\·e^{\frac{E_i}{K}(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})}\·e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_i}}---\left(6\right)$

$R_s=R_{s0}\·e^{\frac{E_s}{K}(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})}\·e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_s}}---\left(7\right)$

$R_g=R_{g0}\·e^{\frac{E_g}{K}(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})}\·e^{-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_g}}---\left(8\right)$

式中，T₀为常温，I_ds0、R_s0、R_g0为各个敏感参数在常温下的初始值，E_i、E_s、E_g、τ_i、τ_s、τ_g为参数退化模型的待定常数。

步骤S3：根据应力的类型和大小对晶体管进行寿命加速测试。

步骤S4：定时采集晶体管的测试数据，根据测试数据提取等效电路敏感参数，得到等效电路敏感参数随应力和时间的变化关系。

对待测晶体管施加应力，进行寿命加速试验，定时采集晶体管的DC和RF测试数据，提取等效电路参数，得到等效电路敏感参数随应力和时间的变化关系。

根据步骤S2确定的GaAspHEMT晶体管寿命加速试验的应力类型和大小，对三组待测样品进行寿命加速试验。试验总时长约400～700小时，每24小时采集一次晶体管的DC和RF测试数据，测量GaAspHEMT晶体管的IV曲线，漏极电压V_ds范围为0～8V，栅极电压V_gs范围为-1.2～0.5V，并测量不同偏置点下的小信号S参数，频率为0.5～40GHz。图2所示GaAspHEMT非线性等效电路，可以选取EE-HEMT、Angelov等非线性模型来描述等效电路中的非线性受控电流源和非线性存储电荷，然后根据GaAspHEMT晶体管非线性模型参数提取流程，提取图2等效电路中的模型参数值，并可以得到等效电路敏感参数随应力和时间的变化关系。

步骤S5：根据变化关系对所述敏感参数退化模型中的待定常数进行拟合，得到完整敏感参数退化模型，并将完整敏感参数退化模型带入到等效电路中，得到晶体管的完整等效电路。

根据步骤S4得到的GaAspHEMT等效电路敏感参数随应力和时间的变化关系，对等效电路中的敏感参数退化模型中的待定常数进行拟合，确定式(6)～(8)中的E_i、E_s、E_g、τ_i、τ_s、τ_g各参数值，得到GaAspHEMT晶体管等效电路中的完整敏感参数退化模型，将该敏感参数退化模型代入到等效电路中，得到GaAspHEMT晶体管的完整等效电路。

步骤S6：根据完整敏感参数退化模型对晶体管进行失效机制分析，并根据完整等效电路对晶体管进行电路可靠性分析。

根据步骤S5中得到的GaAspHEMT晶体管等效电路中的完整敏感参数退化模型，可用来分析GaAspHEMT晶体管的失效机制，栅极泄漏电流I_g可以反应栅肖特基接触退化的影响，R_s可以反应源极欧姆接触退化的影响，I_ds可以反应沟道退化及其它失效机制的综合影响等；同时，步骤S5中得到的GaAspHEMT晶体管完整等效电路，可计算得到GaAspHEMT晶体管性能参数在不同应力条件下随时间的退化量，如增益、效率、输出功率等，从而外推晶体管的长期退化规律，预测晶体管的失效时间；另外，将步骤S5得到的GaAspHEMT晶体管完整等效电路嵌入电路设计仿真软件AgilentADS中，用来模拟晶体管失效机制对电路乃至整个系统的影响，预测电路和系统的性能退化量和失效时间。

本发明建立了各种失效机制与器件性能之间的联系，可用于模拟器件失效机制对电路或系统性能的影响；并且可以根据晶体管参数随应力和时间的变化趋势分析晶体管的失效机制，指导工艺改进；另外，该方法还可以预测晶体管的性能退化量和失效时间，从而缩短可靠性试验时间，提高效率。

以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。

Claims (3)

1.基于等效电路的晶体管可靠性表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据晶体管类型确定晶体管的等效电路；

S2、确定用于寿命加速试验的应力的类型和大小，并根据所述应力的类型确定所述等效电路中的敏感参数退化模型；

S3、根据应力的类型和大小对晶体管进行寿命加速测试；

S4、定时采集晶体管的测试数据，根据测试数据提取等效电路敏感参数，得到所述等效电路敏感参数随应力和时间的变化关系；

S5、根据所述变化关系对所述敏感参数退化模型中的待定常数进行拟合，得到完整敏感参数退化模型，并将所述完整敏感参数退化模型带入到所述等效电路中，得到晶体管的完整等效电路；

S6、根据所述完整敏感参数退化模型对晶体管进行失效机制分析，并根据所述完整等效电路对晶体管进行电路可靠性分析。

2.根据权利要求1所述的基于等效电路的晶体管可靠性表征方法，其特征在于，所述步骤S2中应力的类型包括温度和/或电压和/或射频信号。

3.根据权利要求1所述的基于等效电路的晶体管可靠性表征方法，其特征在于，所述步骤S3的敏感参数退化模型包括处理热应力的Arrhenius模型、处理电应力的逆幂率模型和同时处理热应力和电应力的Eyring模型。