MOS集成電路電過應(yīng)力損傷解析-KIA MOS管

電過應(yīng)力損傷

電過應(yīng)力(EOS)是MOS集成電路失效分析過程中常見失效原因，電過應(yīng)力損傷對MOS集成電路可靠性危害很大，輕者導(dǎo)致電路電性能下降，留下隱患，影響電路的長期可靠性，重者則可使MOS電路燒毀。因此在國際上是可靠性研究中的一個重要研究課題，受到人們的普遍重視。

電過應(yīng)力損傷的原因

MOS電路的損壞及其功能的失效，大都由于電路引線上的高電壓或高功率密度引起的。一個較小的缺陷(如：一個漏電路徑)在電路工作時可能導(dǎo)致流過超過所能允許的電流而引起集成電路的嚴(yán)重?fù)p壞。

另外，錯誤的電行為和電路本身的缺陷一樣，也能導(dǎo)致電路的損傷或失效。產(chǎn)生電過應(yīng)力的原因大，致可以分為三類:

 (1) 靜電放電(ESD)；(2)在工作過程中由于電源電壓或輸入信號的尖峰引起的過載； (3) 由于電荷載流子的注入引起的寄生成份的激發(fā)(如寄生雙極晶體管、四層結(jié)構(gòu)、Latch--up 等)。

靜電放電從屬于電過應(yīng)力范疇，它對半導(dǎo)體集成電路，特別是對MOS集成電路的危害、早為人們所關(guān)注。靜電放電的方式有三種: 

(1)人體模型(HBM)，如圖1所示。(2)機械模型(MM)，如圖2所示。(3)充電器件模型(CDM)，見圖3。第(2)和第(3)兩種靜電放電模型的特點是由低電阻引起的瞬間高壓脈沖，圖4所示。

EOS損傷的模式和機理

（1）柵氧化層的損壞

①場引入邊緣的電擊穿(Flashover)

與帶電器件模型和機械模型相對應(yīng)的ESD將產(chǎn)生這種場引入邊緣電擊穿的損傷模式。其特點是短時間的高壓脈沖放電，脈沖持續(xù)時間約0.1ns。這種損傷的位置一般在輸入保護(hù)結(jié)構(gòu)或與輸入相連的柵氧化層邊緣和襯底之間，尺寸在0.1~ 1μm之間。

②由溫度引入 的二次電擊穿

對于人體模型的靜電放電，在低的靜電電壓下，較長時間的電過應(yīng)力將產(chǎn)生二次電過沖，由于電壓較低，故不能產(chǎn)生場引入柵氧化層電擊穿，而是pn結(jié)的熱擊穿和柵下溝道的溫升，從而導(dǎo)致柵上的柵氧化層介質(zhì)強度減弱。這時所加電壓足以引起場引入的柵氧化層的電擊穿，我們稱之為“二次效應(yīng)”。

二次效應(yīng)的癥狀表現(xiàn)為襯底中晶格結(jié)構(gòu)的損傷和在柵氧化層邊緣的電擊穿。位置一般在輸入保護(hù)結(jié)構(gòu)和輸出驅(qū)動器上。

pn結(jié)的輕微熱損傷

pn結(jié)的輕微熱損傷是由于人體模型的ESD或EOS引起的，損傷位置一般在輸入和輸出附近或與Vss和Vdd內(nèi)連的擴散區(qū)附近。

（1）結(jié)的熱擊穿

當(dāng)反向電壓超過規(guī)定值時，就有一個反向電流流過pn結(jié)，損耗的功率導(dǎo)致熱斑。所產(chǎn)生的溫度高低將決定電路的命運。

（2）結(jié)的退化

溫度太低不會形成熔化的溝道，但會使晶格結(jié)構(gòu)和摻雜側(cè)面產(chǎn)生損傷，這就導(dǎo)致了極高電阻的pn結(jié)漏電(典型值1MΩ)。

（3）接觸孔的熱-電遷移，并在Si上形成熔化的溝道

熱擊穿以后，通過附加的能量在Si中pn結(jié)上方形成一個熔化的溝道,結(jié)果形成了一條通向鄰近屬于導(dǎo)電多晶硅下的擴散區(qū)(典型值10kΩ),見圖6。

（4）在溶化的溝道中帶有一座金耦橋的電-熱遷移

當(dāng)附加更大能量時，熔化的AI流進(jìn)溶化溝道，并填充之;凝固后導(dǎo)電的橋就具有阻值0.1~1kΩ。見圖7所示。

（5）在接觸孔處尖峰的形成

在熱擊穿的情況下(或在正常工作期間),若無Si的溶化，結(jié)的長期過應(yīng)力將引起AI尖峰的產(chǎn)生。

a)沒有滲透至pn結(jié)的尖峰將導(dǎo)致一個4層結(jié)構(gòu)(pnpn結(jié)構(gòu)),這就要引起pnpn結(jié)構(gòu)電行為的燒毀，見圖8。

b)滲透到pn結(jié)的尖峰將產(chǎn)生一個通過pn結(jié)的低阻橋，并進(jìn)一步加深熱-電遷移，見圖9。

EOS對金屬引線和電阻器的損傷

人體模型的靜電放電和工作中的電過應(yīng)力時常伴隨著大電流流過。這將損傷金屬引線和電阻器。位置一般在集成電路的輸入保護(hù)結(jié)構(gòu)上。

電過應(yīng)力引起的徹底破壞

集成電路在工作期間，當(dāng)電路上存在微小缺陷或寄生結(jié)構(gòu)受外來因素的激發(fā)(雙極晶體管四層結(jié)構(gòu)、Latch-up等)時，電路將有大電流流過，便會導(dǎo)致集成電路的徹底破壞。

其癥狀表現(xiàn)在接觸孔、擴散區(qū)的損壞和金屬化通道的燒毀；鍵合金絲的溶化;封裝部分和燒焦等。

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