layout中的幾種失效機(jī)制

1、電子科技大學(xué)成都學(xué)院電子科技大學(xué)成都學(xué)院確定退出本課件？確定退出本課件？電過應(yīng)力電過應(yīng)力靜電泄放靜電泄放介質(zhì)擊穿介質(zhì)擊穿電遷徙電遷徙天線效應(yīng)天線效應(yīng)電子科技大學(xué)成都學(xué)院電子科技大學(xué)成都學(xué)院 電過應(yīng)力：由對(duì)器件施加過大的電壓電過應(yīng)力：由對(duì)器件施加過大的電壓 或是電流而引起的失效?；蚴请娏鞫鸬氖?。4.1.1靜電泄放靜電泄放(ESD) 靜電泄放靜電泄放(ESD) 帶靜電荷物體與非帶電導(dǎo)體接觸時(shí)，帶電體通過帶靜電荷物體與非帶電導(dǎo)體接觸時(shí)，帶電體通過非帶電體放非帶電體放 電稱為電稱為()。 常見的靜電模型常見的靜電模型一、人體模型一、人體模型二、機(jī)器模型二、機(jī)器模型三、充電器件模型三、充電器件模型

2、一、帶電人體放電模型（一、帶電人體放電模型（HBM） 電荷轉(zhuǎn)移到器件或通過器件電荷轉(zhuǎn)移到器件或通過器件 對(duì)地放電，這種放電形式用對(duì)地放電，這種放電形式用 人體模型人體模型( (左圖左圖) )描述。描述。 放電主要形式為放電主要形式為 幾百幾百nsns，數(shù)，數(shù)A A至至數(shù)十?dāng)?shù)十A 。二、機(jī)器模型二、機(jī)器模型 (MM)機(jī)器（例如機(jī)械手臂）本身累積了靜電，機(jī)器（例如機(jī)械手臂）本身累積了靜電，當(dāng)此機(jī)器去碰觸當(dāng)此機(jī)器去碰觸IC時(shí)，該靜電便經(jīng)由時(shí)，該靜電便經(jīng)由IC的的pin放電。放電。幾百幾百ns，數(shù)，數(shù)A。 三、帶電器件的靜電放電模型（三、帶電器件的靜電放電模型（CDM）器件管腳與地接觸，放電帶電器件模

3、型器件管腳與地接觸，放電帶電器件模型放電過程中，各管腳存在差異，產(chǎn)生電熱差，造成損傷放電過程中，各管腳存在差異，產(chǎn)生電熱差，造成損傷 ，管腳與地電阻小，放電閾值小于人體模型。管腳與地電阻小，放電閾值小于人體模型。幾幾ns，數(shù)，數(shù)A。與。與IC擺放角度、位置和封裝形式等有關(guān)，難擺放角度、位置和封裝形式等有關(guān)，難 以模擬，標(biāo)準(zhǔn)未定。以模擬，標(biāo)準(zhǔn)未定。ESD影響 靜電泄放會(huì)引起幾種電損傷：介質(zhì)擊穿；介質(zhì)退化；雪崩誘發(fā)結(jié)漏電；蒸發(fā)金屬層或是粉碎體硅。保護(hù)措施 泄放靜電；泄放靜電； 對(duì)易損傷的管腳加裝對(duì)易損傷的管腳加裝ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)；保護(hù)結(jié)構(gòu)；更多更多ESD相關(guān)內(nèi)容見相關(guān)內(nèi)容見 http:/www.es

4、http:/.tw/mdker/ESD/index.html4.1.2電遷徙電遷徙 電遷徙：它是由于極高的電流密度引起的慢性電遷徙：它是由于極高的電流密度引起的慢性損耗現(xiàn)象。損耗現(xiàn)象。 原因：當(dāng)金屬小條的電流密度達(dá)到原因：當(dāng)金屬小條的電流密度達(dá)到5 A/cm 時(shí)就時(shí)就 會(huì)發(fā)生電遷徙效應(yīng)，但在亞微米中有時(shí)幾毫安就可會(huì)發(fā)生電遷徙效應(yīng)，但在亞微米中有時(shí)幾毫安就可以發(fā)生電遷徙。以發(fā)生電遷徙。510 現(xiàn)象：使得金屬原子在導(dǎo)體中發(fā)生位移現(xiàn)象：使得金屬原子在導(dǎo)體中發(fā)生位移 ，并在相鄰，并在相鄰的晶粒間形成空隙。金屬條體產(chǎn)生突出物，稱為小的晶粒間形

5、成空隙。金屬條體產(chǎn)生突出物，稱為小丘；尖銳點(diǎn)突出，稱為丘；尖銳點(diǎn)突出，稱為“樹枝樹枝”。保護(hù)措施保護(hù)措施 (1)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 合理進(jìn)行電路版圖設(shè)計(jì)及熱設(shè)計(jì)。合理進(jìn)行電路版圖設(shè)計(jì)及熱設(shè)計(jì)。 (2)工藝工藝 減少膜損傷，選擇合適晶粒尺寸，使臺(tái)減少膜損傷，選擇合適晶粒尺寸，使臺(tái) 階處覆蓋良好。階處覆蓋良好。 (3)多層結(jié)構(gòu)多層結(jié)構(gòu) 采用以金為基的多層金屬化層形成采用以金為基的多層金屬化層形成 良好歐姆接觸。良好歐姆接觸。 (4)覆蓋介質(zhì)膜覆蓋介質(zhì)膜 抑制表面擴(kuò)散，壓強(qiáng)效應(yīng)和熱沉抑制表面擴(kuò)散，壓強(qiáng)效應(yīng)和熱沉 效應(yīng)的綜合影響，延長(zhǎng)鋁條的中效應(yīng)的綜合影響，延長(zhǎng)鋁條的中 位壽命。位壽命。保護(hù)措施保護(hù)措施o(5)

6、改善工藝，在鋁金屬中摻入改善工藝，在鋁金屬中摻入0.5%4%銅，以增強(qiáng)抵抗電遷徙的能力。銅，以增強(qiáng)抵抗電遷徙的能力。4.1.3介質(zhì)擊穿介質(zhì)擊穿柵氧化層中的隧穿機(jī)制：柵氧化層中的隧穿機(jī)制： (A)直接電子隧穿直接電子隧穿 (B)陷阱助隧穿陷阱助隧穿 (C) Fowler-Nordheim隧穿隧穿o載流子穿越勢(shì)壘的過程，隧穿率距離增大而減少，而載流子穿越勢(shì)壘的過程，隧穿率距離增大而減少，而隧穿距離限制在隧穿距離限制在45埃左右。埃左右。Fowler-Nordheim隧穿隧穿 Nordheim隧穿會(huì)使得介質(zhì)層的質(zhì)量逐漸退隧穿會(huì)使得介質(zhì)層的質(zhì)量逐漸退化，并漏電，產(chǎn)生的電流稱為場(chǎng)致漏電流化，并漏電，產(chǎn)生

7、的電流稱為場(chǎng)致漏電流，如果該介質(zhì)持續(xù)的處在強(qiáng)電場(chǎng)中，場(chǎng)致，如果該介質(zhì)持續(xù)的處在強(qiáng)電場(chǎng)中，場(chǎng)致漏電流可導(dǎo)致嚴(yán)重的失效。漏電流可導(dǎo)致嚴(yán)重的失效。保護(hù)措施 避免過強(qiáng)的電場(chǎng)。避免過強(qiáng)的電場(chǎng)。 采用采用OVST準(zhǔn)備準(zhǔn)備(過壓應(yīng)力測(cè)試過壓應(yīng)力測(cè)試)。 采用采用N+擴(kuò)散和擴(kuò)散和NBL都能提高柵氧完整性。都能提高柵氧完整性。4.1.4天線效應(yīng)天線效應(yīng) 在芯片生產(chǎn)過程中，暴露的金屬線或者多在芯片生產(chǎn)過程中，暴露的金屬線或者多晶硅等導(dǎo)體，就像是一根根天線，會(huì)收集晶硅等導(dǎo)體，就像是一根根天線，會(huì)收集電荷（如等離子刻蝕產(chǎn)生的帶電粒子）導(dǎo)電荷（如等離子刻蝕產(chǎn)生的帶電粒子）導(dǎo)致電位升高。天線越長(zhǎng)，收集的電荷也就致電位升高

8、。天線越長(zhǎng)，收集的電荷也就越多，電壓就越高。若這片導(dǎo)體碰巧只接越多，電壓就越高。若這片導(dǎo)體碰巧只接了了MOS 的柵，那么高電壓就可能把薄柵氧的柵，那么高電壓就可能把薄柵氧化層擊穿，使電路失效，這種現(xiàn)象我們稱化層擊穿，使電路失效，這種現(xiàn)象我們稱之為之為“天線效應(yīng)天線效應(yīng)”。 保護(hù)措施常見的保護(hù)措施有：一、跳線法。保護(hù)措施二、添加二、添加“天線天線”器件；給器件；給“天線天線”加上反偏加上反偏二極管。通過給直接連接到柵的存在天線效應(yīng)二極管。通過給直接連接到柵的存在天線效應(yīng)的金屬層接上反偏二極管，形成一個(gè)電荷泄放的金屬層接上反偏二極管，形成一個(gè)電荷泄放回路，累積電荷就對(duì)柵氧構(gòu)不成威脅，從而消回路，累

9、積電荷就對(duì)柵氧構(gòu)不成威脅，從而消除了天線效應(yīng)。除了天線效應(yīng)。 三、插入緩沖器，切斷長(zhǎng)線來消除天線效應(yīng)三、插入緩沖器，切斷長(zhǎng)線來消除天線效應(yīng)。 干法腐蝕干法腐蝕可動(dòng)離子玷污可動(dòng)離子玷污電子科技大學(xué)成都學(xué)院電子科技大學(xué)成都學(xué)院4.2玷污玷污是由于芯片在制造過程中，或是在是由于芯片在制造過程中，或是在使用中，被污染物污染，或是沿著使用中，被污染物污染，或是沿著金屬管腳與塑封的界面滲入污染芯金屬管腳與塑封的界面滲入污染芯片。片。4.2.1干法腐蝕干法腐蝕在潮濕的環(huán)境中，鋁金屬系統(tǒng)被離子污染物在潮濕的環(huán)境中，鋁金屬系統(tǒng)被離子污染物腐蝕（磷酸、鹵素離子等）。腐蝕（磷酸、鹵素離子等）。最終導(dǎo)致電路開路失效。

10、最終導(dǎo)致電路開路失效。保護(hù)措施添加電路保護(hù)層；添加電路保護(hù)層；減少保護(hù)層中開孔減少保護(hù)層中開孔的數(shù)目和大小。的數(shù)目和大小。4.2.2可動(dòng)離子玷污可動(dòng)離子玷污 大多數(shù)污染物在室溫中被束縛在氧化物大大多數(shù)污染物在室溫中被束縛在氧化物大分子中無法移動(dòng)，但是堿金屬在室溫中可分子中無法移動(dòng)，但是堿金屬在室溫中可以在二氧化硅中自由移動(dòng)，稱為可動(dòng)離子以在二氧化硅中自由移動(dòng)，稱為可動(dòng)離子玷污，鈉離子就是其中之一。玷污，鈉離子就是其中之一。 影響：可動(dòng)離子玷污使得器件的閾值電壓影響：可動(dòng)離子玷污使得器件的閾值電壓緩慢漂移，最終導(dǎo)致電路參數(shù)超過限定值緩慢漂移，最終導(dǎo)致電路參數(shù)超過限定值，會(huì)引起器件長(zhǎng)期失效。，會(huì)引

11、起器件長(zhǎng)期失效。4.2.2可動(dòng)離子玷污可動(dòng)離子玷污保護(hù)措施保護(hù)措施 減小在芯片制造過程中帶入的污染物；減小在芯片制造過程中帶入的污染物； 使用摻磷的多晶硅柵；使用摻磷的多晶硅柵； 使用氮化硅或者是摻磷玻璃構(gòu)成的保護(hù)層；使用氮化硅或者是摻磷玻璃構(gòu)成的保護(hù)層； 減少保護(hù)層開孔；減少保護(hù)層開孔； 使用足量的劃封。使用足量的劃封。 表面效應(yīng)表面效應(yīng)熱載流子注入熱載流子注入雪崩誘發(fā)雪崩誘發(fā)衰減衰減齊納蠕變齊納蠕變寄生溝道和電荷分散寄生溝道和電荷分散電子科技大學(xué)成都學(xué)院電子科技大學(xué)成都學(xué)院4.3 表面效應(yīng)表面效應(yīng) 具有高強(qiáng)度的表面區(qū)域會(huì)向上的氧化層具有高強(qiáng)度的表面區(qū)域會(huì)向上的氧化層注入熱載流子。表面電場(chǎng)還

12、能誘生寄生注入熱載流子。表面電場(chǎng)還能誘生寄生溝道。這兩種都發(fā)生在硅與氧化層之間溝道。這兩種都發(fā)生在硅與氧化層之間的界面，因此統(tǒng)稱為表面效應(yīng)。的界面，因此統(tǒng)稱為表面效應(yīng)。4.3.1熱載流子注入熱載流子注入 原因：由于硅表面有強(qiáng)電場(chǎng)，強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生原因：由于硅表面有強(qiáng)電場(chǎng)，強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生熱載流子具有足夠能量進(jìn)入氧化層，這種熱載流子具有足夠能量進(jìn)入氧化層，這種機(jī)制成為熱載流子注入。機(jī)制成為熱載流子注入。熱載流子注入的影響 熱載流子注入會(huì)導(dǎo)致閾值電壓逐漸減少，這種閾值漂移減少了增強(qiáng)型NMOS晶體管的閾值電壓，但是增大了增強(qiáng)型PMOS晶體管的閾值電壓。保護(hù)措施 重新設(shè)計(jì)受影響的期間；重新設(shè)計(jì)受影響的期間； 選擇

13、器件的工作條件；選擇器件的工作條件； 改變器件的尺寸減少閾值電壓漂移。改變器件的尺寸減少閾值電壓漂移。 對(duì)偏壓器件在對(duì)偏壓器件在200400C烘烤可復(fù)原。烘烤可復(fù)原。4.3.2齊納蠕變齊納蠕變 原因：雪崩產(chǎn)生的部分熱載流子注入到氧原因：雪崩產(chǎn)生的部分熱載流子注入到氧化物中，破壞硅化物中，破壞硅-氫鍵，重新生產(chǎn)氧化層氫鍵，重新生產(chǎn)氧化層固定電荷。固定電荷。保護(hù)措施保護(hù)措施 使用掩埋齊納管；使用掩埋齊納管； 使用場(chǎng)板。使用場(chǎng)板。4.3.5寄生溝道和電荷分散寄生溝道和電荷分散 由于硅表面可能誘生寄生溝道，比如兩個(gè)擴(kuò)由于硅表面可能誘生寄生溝道，比如兩個(gè)擴(kuò)散區(qū)之間，兩個(gè)阱之間等，都可能引起寄生散區(qū)之間，

14、兩個(gè)阱之間等，都可能引起寄生溝道，即使很小的電流電路參數(shù)的偏移。溝道，即使很小的電流電路參數(shù)的偏移。4.3.5寄生溝道和電荷分散寄生溝道和電荷分散 誘發(fā)溝道不僅只有導(dǎo)體下面才能，當(dāng)有誘發(fā)溝道不僅只有導(dǎo)體下面才能，當(dāng)有了合適的源區(qū)和漏區(qū)時(shí)，即使沒有導(dǎo)體了合適的源區(qū)和漏區(qū)時(shí)，即使沒有導(dǎo)體當(dāng)柵極，溝道同樣也能誘發(fā)，那么這種當(dāng)柵極，溝道同樣也能誘發(fā)，那么這種潛在的機(jī)制稱為電荷分散。潛在的機(jī)制稱為電荷分散。 靜態(tài)電荷存在于絕緣界面，它們可以沿靜態(tài)電荷存在于絕緣界面，它們可以沿著絕緣體表面或是沿著兩種不同的絕緣著絕緣體表面或是沿著兩種不同的絕緣體之間的界面積累。有電場(chǎng)的情況下會(huì)體之間的界面積累。有電場(chǎng)的情

15、況下會(huì)在電場(chǎng)的作用下緩慢移動(dòng)。在電場(chǎng)的作用下緩慢移動(dòng)。4.3.5寄生溝道和電荷分散寄生溝道和電荷分散寄生溝道和電荷分散寄生溝道和電荷分散 在CMOS工藝和標(biāo)準(zhǔn)雙極工藝中，由于制造工藝等原因，標(biāo)準(zhǔn)雙極工藝比CMOS工藝更容易受到影響。保護(hù)措施保護(hù)措施 標(biāo)準(zhǔn)雙極工藝標(biāo)準(zhǔn)雙極工藝 由于電荷分散效應(yīng)，雙極器件容易形成寄由于電荷分散效應(yīng)，雙極器件容易形成寄生生PMOS溝道。溝道。保護(hù)措施保護(hù)措施 插入溝道終止能阻止寄生溝道，但是無法阻止電荷插入溝道終止能阻止寄生溝道，但是無法阻止電荷分散；分散； 插入場(chǎng)板既能阻止寄生溝道，又能阻止電荷分散。插入場(chǎng)板既能阻止寄生溝道，又能阻止電荷分散。保護(hù)措施保護(hù)措施 在

16、兩個(gè)場(chǎng)板之間的空隙仍能存在寄生溝道。在兩個(gè)場(chǎng)板之間的空隙仍能存在寄生溝道。 一、插入帶有凸邊的場(chǎng)板；一、插入帶有凸邊的場(chǎng)板； 二、用溝道終止橋接場(chǎng)板的空隙；二、用溝道終止橋接場(chǎng)板的空隙；保護(hù)措施 保證器件即使在最差的環(huán)境中也能正常工保證器件即使在最差的環(huán)境中也能正常工作，以提高器件的可靠性。作，以提高器件的可靠性。凸邊凸邊高壓集電極高壓集電極低壓集電極低壓集電極保護(hù)措施 CMOS和和BICMOS工藝工藝 對(duì)于對(duì)于PMOS，當(dāng)多晶硅連線穿過，當(dāng)多晶硅連線穿過N阱時(shí)，阱時(shí)，會(huì)誘生寄生溝道。會(huì)誘生寄生溝道。保護(hù)措施 對(duì)于NMOS，如果高壓連線通過輕摻雜P型外延層，那么寄生NMOS的源漏由鄰近的N阱組

17、成。寄生效應(yīng)寄生效應(yīng)襯底去偏置襯底去偏置襯底效應(yīng)襯底效應(yīng)少子注入少子注入電子科技大學(xué)成都學(xué)院電子科技大學(xué)成都學(xué)院寄生效應(yīng)寄生效應(yīng) 在正常工作的電路中，通常還包括一些需要的電路元器件，包括反偏隔離結(jié)、不同擴(kuò)散區(qū)和淀積層的電阻和電容。4.4.1襯底去偏置襯底去偏置 原因：當(dāng)襯底有足夠大的電流流動(dòng)時(shí)，或是有更大的壓降時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生襯底去偏置。4.4.1襯底去偏置 正偏PN結(jié)所需電壓取決于：電流密度和溫度。 標(biāo)準(zhǔn)雙機(jī)工藝最小面積NPN晶體管集電極-襯底級(jí)的典型正偏電壓?jiǎn)蝹€(gè)襯底電流注入源和單個(gè)襯底單個(gè)襯底電流注入源和單個(gè)襯底接觸接觸保護(hù)措施 盡量減少向襯底注入電流； 增大襯底接觸面積，以減少縱向電阻；4.

18、4.2少子注入 隔離結(jié)依賴反偏來阻擋電流流動(dòng)，耗盡區(qū)建立電場(chǎng)是用來排斥多子，但是卻不能排斥少子，如果所有隔離結(jié)都正偏，就會(huì)想隔離區(qū)注入少子。4.4.2少子注入 誘發(fā)閂鎖效應(yīng)。它是CMOS工藝所特有的寄生效應(yīng)，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致電路的失效，甚至燒毀芯片。 4.4.2少子注入 誘發(fā)閂鎖效應(yīng)有兩種： 一種是：NMOS管的源極電位被拉到地電位一下，少子將注入到襯底里面，QN被開啟，接著QP也開啟，閂鎖效應(yīng)被激發(fā)。 另一種是：PMOS管的源極電位被拉到N阱以上；少子將注入到N阱里面，QP被開啟，接著QN也開啟，閂鎖效應(yīng)被激發(fā)。保護(hù)措施（襯底注入） 消除引起問起的正偏結(jié)； 增大器件間距； 增大摻雜濃度； 提供替代的集電極來消除少子。保護(hù)措施（襯底注入） 通常采用做隔離環(huán)的方式吸收少子；一、在P型區(qū)收集少子電子的收集電子保護(hù)環(huán)；二、在N型區(qū)收集少子空穴的收集空穴保護(hù)環(huán)。T1T2T3保護(hù)環(huán)所屏蔽的保護(hù)環(huán)所屏蔽的敏感模擬電路敏感模擬電路代表性的兩種收集電子保護(hù)環(huán)的剖面圖代表性的兩種收集電子保護(hù)環(huán)的剖面圖保護(hù)