电路失效机制.doc

电路失效机制 集成电路虽然是一个精巧的不相容device 集合体，但是很少有绝对完美的。很多都包含了一些很小的缺陷，它们的存在有时会使电路不可避免的走向失效。 1，? EOS （ electrical overstress ） EOS 指的是由于过多的电压和电流的使用而导致芯片失效。它有三种表现形式，首先是我们常见的ESD，ESD是由于静态电流引起的过应力，一般我们在脆弱的pad旁边加上保护电路可以减小这种ESD的失效。其次是electromigration,它是由电积累引起的缓慢的失效，一般会在相邻的路径旁形成openshort，我们可以通过把通路画的足够宽来处理大的电流。还有一种就是antenna effect ,它是由于在化学腐蚀或离子注入时门极上电势的积累造成。 1，1????????? ESD ESD能引起很多形式的损坏，包括gate 断裂，gate退化，极端情况下可以使金属或硅气化。不到50V的电压就可以使MOS的gate损坏，它通常会使gate短路。使用氧化物或氮化物的电容也易受ESD攻击。如果一个pin是连接到diffusion上的，那么它通常会在门氧化物的毁坏前引起diffusion的雪崩。没有完全损坏的雪崩通常会引起持续的漏电。 解决方法： 所有易受攻击的pin都必须有ESD保护电路连接到它们的bonding pads。但是有些连接到substrate或是large diffusion 的pin不需要ESD保护。因为这些电路可以在ESD损坏其它电路之前疏散或吸收ESD能量。如很多电路的power pad一般都连到diffusion,所以它们本身就有很强的ESD抵抗力。 连接到相对较小的diffusion的pin，尤其是那些连接到小NPN的base 或emitter的pin，容易被ESD损坏。因此因该在这些pin上加上ESD保护电路。这些电路通常包含一些串连电阻，或primary ESD protection 和secondary ESD protection. 1，2????????? Electromigration Electromigration 是由极高的电流浓度引起的缓慢失效现象。移动的载流子和固定的金属原子的碰撞使金属原子慢慢被替代。尽管这看起来需要极大的电流浓度，但是在现在次微米的制成中，用最小宽度的电流通路有时会经受milliamps的电流。 通常我们会用Al作为poly的材料。它的晶格粒子通常是连接在一起的，但是电迁移使金属原子慢慢离开它们的粒子边界，在相邻的粒子之间形成空洞。这种机制导致通路的有效区域减少因此提升了电流浓度。 解决方法： 加入难熔金属可以改变我们看到的失效模型，既然难熔金属有较大的电阻，大部分电流会首先随着Al流动，一旦产生的空穴填满了Al，难熔金属会导电。因为难熔金属阻止电迁移的效果较好，所以这条通路不会完全失效。有时，AL中积累的空穴会导致通路电阻慢慢不规则的增加，更坏的情况是，当Al原子结构被空穴填满，因为碰撞而出来的Al离子有时和旁边的Al离子short到一起。 为了防止电迁移的失效，难熔金属有时也被用到contact via上，因为它可以保证电流的连续性。 1，3????????? Antenna effect 干法腐蚀通常会产生很多的等离子体。在腐蚀gate poly 或oxide时，静电离子可能会积聚在gate poly 上。以致电压可能会变得很大，因此会有电流流过gate oxide .尽管这些积累的能量还不足以毁掉gate oxide ,但是它们会降低绝缘体的强度。这种退化指数正比于（total gate oxide area /gate oxide ）。每个poly 收集正比于其面积的静电离子。一个小的gate oxide 连接到大的poly geometry 可能会受到很大的损坏。这种现象称为antenna effect ,因为大的poly area 象一根天线收集和很多电子，这些电子流过了脆弱的gate oxide 使之损坏。 解决方法： 插入金属跳线。因为它们会减小poly geometry 连接到gate oxide 的面积。 Antenna effect 也常常发生在金属层上，我们一般也采用高层金属跳线的方式来避免。但是在不能用金属跳线的情况下，通过保证低层金属连接到diffusion 也可以。 2，Contamination 集成电路不可避免的受到各种各样的污染，其中主要包括dry corrosion 时的污染和移动离子污染。 3，? 表面效应 表面电势过高可能会注入热载流子到上面的氧化物中，而且它也可以感应出寄生通道。这两种效应都可以称为表面效应，因为它发生在硅和它的上面氧化物的表面。 3，1 hot carrier injec