layout中的幾種失效機制

1、電子科技大學成都學院電子科技大學成都學院確定退出本課件？確定退出本課件？電過應力電過應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天線效應電子科技大學成都學院電子科技大學成都學院 電過應力：由對器件施加過大的電壓電過應力：由對器件施加過大的電壓 或是電流而引起的失效。或是電流而引起的失效。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體接觸時，帶電體通過帶靜電荷物體與非帶電導體接觸時，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、機器模型二、機器模型三、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 對地放電，這種放電形式用對地放電，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)十數(shù)十A 。二、機器模型二、機器模型 (MM)機器（例如機械手臂）本身累積了靜電，機器（例如機械手臂）本身累積了靜電，當此機器去碰觸當此機器去碰觸IC時，該靜電便經(jīng)由時，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，標準未定。以模擬，標準未定。ESD影響 靜電泄放會引起幾種電損傷：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。保護措施 泄放靜電；泄放靜電； 對易損傷的管腳加裝對易損傷的管腳加裝ESD保護結(jié)構(gòu)；保護結(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：當金屬小條的電流密度達到原因：當金屬小條的電流密度達到5 A/cm 時就時就 會發(fā)生電遷徙效應，但在亞微米中有時幾毫安就可會發(fā)生電遷徙效應，但在亞微米中有時幾毫安就可以發(fā)生電遷徙。以發(fā)生電遷徙。510 現(xiàn)象：使得金屬原子在導體中發(fā)生位移現(xiàn)象：使得金屬原子在導體中發(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；尖銳點突出，稱為丘；尖銳點突出，稱為“樹枝樹枝”。保護措施保護措施 (1)設(shè)計設(shè)計 合理進行電路版圖設(shè)計及熱設(shè)計。合理進行電路版圖設(shè)計及熱設(shè)計。 (2)工藝工藝 減少膜損傷，選擇合適晶粒尺寸，使臺減少膜損傷，選擇合適晶粒尺寸，使臺 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 抑制表面擴散，壓強效應和熱沉抑制表面擴散，壓強效應和熱沉 效應的綜合影響，延長鋁條的中效應的綜合影響，延長鋁條的中 位壽命。位壽命。保護措施保護措施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，以增強抵抗電遷徙的能力。銅，以增強抵抗電遷徙的能力。4.1.3介質(zhì)擊穿介質(zhì)擊穿柵氧化層中的隧穿機制：柵氧化層中的隧穿機制： (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載流子穿越勢壘的過程，隧穿率距離增大而減少，而載流子穿越勢壘的過程，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隧穿會使得介質(zhì)層的質(zhì)量逐漸退隧穿會使得介質(zhì)層的質(zhì)量逐漸退化，并漏電，產(chǎn)生的電流稱為場致漏電流化，并漏電，產(chǎn)生

7、的電流稱為場致漏電流，如果該介質(zhì)持續(xù)的處在強電場中，場致，如果該介質(zhì)持續(xù)的處在強電場中，場致漏電流可導致嚴重的失效。漏電流可導致嚴重的失效。保護措施 避免過強的電場。避免過強的電場。 采用采用OVST準備準備(過壓應力測試過壓應力測試)。 采用采用N+擴散和擴散和NBL都能提高柵氧完整性。都能提高柵氧完整性。4.1.4天線效應天線效應 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體，就像是一根根天線，會收集晶硅等導體，就像是一根根天線，會收集電荷（如等離子刻蝕產(chǎn)生的帶電粒子）導電荷（如等離子刻蝕產(chǎn)生的帶電粒子）導致電位升高。天線越長，收集的電荷也就致電位升高

8、。天線越長，收集的電荷也就越多，電壓就越高。若這片導體碰巧只接越多，電壓就越高。若這片導體碰巧只接了了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“天線效應天線效應”。 保護措施常見的保護措施有：一、跳線法。保護措施二、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二極管。通過給直接連接到柵的存在天線效應的金屬層接上反偏二極管，形成一個電荷泄放的金屬層接上反偏二極管，形成一個電荷泄放回路，累積電荷就對柵氧構(gòu)不成威脅，從而消回路，累

9、積電荷就對柵氧構(gòu)不成威脅，從而消除了天線效應。除了天線效應。 三、插入緩沖器，切斷長線來消除天線效應三、插入緩沖器，切斷長線來消除天線效應。 干法腐蝕干法腐蝕可動離子玷污可動離子玷污電子科技大學成都學院電子科技大學成都學院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）。最終導致電路開路失效。

10、最終導致電路開路失效。保護措施添加電路保護層；添加電路保護層；減少保護層中開孔減少保護層中開孔的數(shù)目和大小。的數(shù)目和大小。4.2.2可動離子玷污可動離子玷污 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，但是堿金屬在室溫中可分子中無法移動，但是堿金屬在室溫中可以在二氧化硅中自由移動，稱為可動離子以在二氧化硅中自由移動，稱為可動離子玷污，鈉離子就是其中之一。玷污，鈉離子就是其中之一。 影響：可動離子玷污使得器件的閾值電壓影響：可動離子玷污使得器件的閾值電壓緩慢漂移，最終導致電路參數(shù)超過限定值緩慢漂移，最終導致電路參數(shù)超過限定值，會引起器件長期失效。，會引

11、起器件長期失效。4.2.2可動離子玷污可動離子玷污保護措施保護措施 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)成的保護層；使用氮化硅或者是摻磷玻璃構(gòu)成的保護層； 減少保護層開孔；減少保護層開孔； 使用足量的劃封。使用足量的劃封。 表面效應表面效應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成都學院電子科技大學成都學院4.3 表面效應表面效應 具有高強度的表面區(qū)域會向上的氧化層具有高強度的表面區(qū)域會向上的氧化層注入熱載流子。表面電場還

12、能誘生寄生注入熱載流子。表面電場還能誘生寄生溝道。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。的界面，因此統(tǒng)稱為表面效應。4.3.1熱載流子注入熱載流子注入 原因：由于硅表面有強電場，強電場產(chǎn)生原因：由于硅表面有強電場，強電場產(chǎn)生熱載流子具有足夠能量進入氧化層，這種熱載流子具有足夠能量進入氧化層，這種機制成為熱載流子注入。機制成為熱載流子注入。熱載流子注入的影響 熱載流子注入會導致閾值電壓逐漸減少，這種閾值漂移減少了增強型NMOS晶體管的閾值電壓，但是增大了增強型PMOS晶體管的閾值電壓。保護措施 重新設(shè)計受影響的期間；重新設(shè)計受影響的期間； 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。 對偏壓器件在對偏壓器件在200400C烘烤可復原。烘烤可復原。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。保護措施保護措施 使用掩埋齊納管；使用掩埋齊納管； 使用場板。使用場板。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，比如兩個擴由于硅表面可能誘生寄生溝道，比如兩個擴散區(qū)之間，兩個阱之間等，都可能引起寄生散區(qū)之間，

14、兩個阱之間等，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)溝道不僅只有導體下面才能，當有誘發(fā)溝道不僅只有導體下面才能，當有了合適的源區(qū)和漏區(qū)時，即使沒有導體了合適的源區(qū)和漏區(qū)時，即使沒有導體當柵極，溝道同樣也能誘發(fā)，那么這種當柵極，溝道同樣也能誘發(fā)，那么這種潛在的機制稱為電荷分散。潛在的機制稱為電荷分散。 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。有電場的情況下會體之間的界面積累。有電場的情

15、況下會在電場的作用下緩慢移動。在電場的作用下緩慢移動。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工藝和標準雙極工藝中，由于制造工藝等原因，標準雙極工藝比CMOS工藝更容易受到影響。保護措施保護措施 標準雙極工藝標準雙極工藝 由于電荷分散效應，雙極器件容易形成寄由于電荷分散效應，雙極器件容易形成寄生生PMOS溝道。溝道。保護措施保護措施 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； 插入場板既能阻止寄生溝道，又能阻止電荷分散。插入場板既能阻止寄生溝道，又能阻止電荷分散。保護措施保護措施 在

16、兩個場板之間的空隙仍能存在寄生溝道。在兩個場板之間的空隙仍能存在寄生溝道。 一、插入帶有凸邊的場板；一、插入帶有凸邊的場板； 二、用溝道終止橋接場板的空隙；二、用溝道終止橋接場板的空隙；保護措施 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措施 CMOS和和BICMOS工藝工藝 對于對于PMOS，當多晶硅連線穿過，當多晶硅連線穿過N阱時，阱時，會誘生寄生溝道。會誘生寄生溝道。保護措施 對于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。寄生效應寄生效應襯底去偏置襯底去偏置襯底效應襯底效應少子注入少子注入電子科技大學成都學院電子科技大學成都學院寄生效應寄生效應 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：當襯底有足夠大的電流流動時，或是有更大的壓降時，就會產(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。 標準雙機工藝最小面積NPN晶體管集電極-襯底級的典型正偏電壓單個襯底電流注入源和單個襯底單個襯底電流注入源和單個襯底接觸接觸保護措施 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，耗盡區(qū)建立電場是用來排斥多子，但是卻不能排斥少子，如果所有隔離結(jié)都正偏，就會想隔離區(qū)注入少子。4.4.2少子注入 誘發(fā)閂鎖效應。它是CMOS工藝所特有的寄生效應，嚴重會導致電路的失效，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，閂鎖效應被激發(fā)。保護措施（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環(huán)；二、在N型區(qū)收集少子空穴的收集空穴保護環(huán)。T1T2T3保護環(huán)所屏蔽的保護環(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環(huán)的剖面圖代表性的兩種收集電子保護環(huán)的剖面圖保護