MOS集成电路电过应力损伤解析-KIA MOS管

电过应力损伤

电过应力(EOS)是MOS集成电路失效分析过程中常见失效原因，电过应力损伤对MOS集成电路可靠性危害很大，轻者导致电路电性能下降，留下隐患，影响电路的长期可靠性，重者则可使MOS电路烧毁。因此在国际上是可靠性研究中的一个重要研究课题，受到人们的普遍重视。

电过应力损伤的原因

MOS电路的损坏及其功能的失效，大都由于电路引线上的高电压或高功率密度引起的。一个较小的缺陷(如：一个漏电路径)在电路工作时可能导致流过超过所能允许的电流而引起集成电路的严重损坏。

另外，错误的电行为和电路本身的缺陷一样，也能导致电路的损伤或失效。产生电过应力的原因大，致可以分为三类:

 (1) 静电放电(ESD)；(2)在工作过程中由于电源电压或输入信号的尖峰引起的过载； (3) 由于电荷载流子的注入引起的寄生成份的激发(如寄生双极晶体管、四层结构、Latch--up 等)。

静电放电从属于电过应力范畴，它对半导体集成电路，特别是对MOS集成电路的危害、早为人们所关注。静电放电的方式有三种: 

(1)人体模型(HBM)，如图1所示。(2)机械模型(MM)，如图2所示。(3)充电器件模型(CDM)，见图3。第(2)和第(3)两种静电放电模型的特点是由低电阻引起的瞬间高压脉冲，图4所示。

EOS损伤的模式和机理

（1）栅氧化层的损坏

①场引入边缘的电击穿(Flashover)

与带电器件模型和机械模型相对应的ESD将产生这种场引入边缘电击穿的损伤模式。其特点是短时间的高压脉冲放电，脉冲持续时间约0.1ns。这种损伤的位置一般在输入保护结构或与输入相连的栅氧化层边缘和衬底之间，尺寸在0.1~ 1μm之间。

②由温度引入 的二次电击穿

对于人体模型的静电放电，在低的静电电压下，较长时间的电过应力将产生二次电过冲，由于电压较低，故不能产生场引入栅氧化层电击穿，而是pn结的热击穿和栅下沟道的温升，从而导致栅上的栅氧化层介质强度减弱。这时所加电压足以引起场引入的栅氧化层的电击穿，我们称之为“二次效应”。

二次效应的症状表现为衬底中晶格结构的损伤和在栅氧化层边缘的电击穿。位置一般在输入保护结构和输出驱动器上。

pn结的轻微热损伤

pn结的轻微热损伤是由于人体模型的ESD或EOS引起的，损伤位置一般在输入和输出附近或与Vss和Vdd内连的扩散区附近。

（1）结的热击穿

当反向电压超过规定值时，就有一个反向电流流过pn结，损耗的功率导致热斑。所产生的温度高低将决定电路的命运。

（2）结的退化

温度太低不会形成熔化的沟道，但会使晶格结构和掺杂侧面产生损伤，这就导致了极高电阻的pn结漏电(典型值1MΩ)。

（3）接触孔的热-电迁移，并在Si上形成熔化的沟道

热击穿以后，通过附加的能量在Si中pn结上方形成一个熔化的沟道,结果形成了一条通向邻近属于导电多晶硅下的扩散区(典型值10kΩ),见图6。

（4）在溶化的沟道中带有一座金耦桥的电-热迁移

当附加更大能量时，熔化的AI流进溶化沟道，并填充之;凝固后导电的桥就具有阻值0.1~1kΩ。见图7所示。

（5）在接触孔处尖峰的形成

在热击穿的情况下(或在正常工作期间),若无Si的溶化，结的长期过应力将引起AI尖峰的产生。

a)没有渗透至pn结的尖峰将导致一个4层结构(pnpn结构),这就要引起pnpn结构电行为的烧毁，见图8。

b)渗透到pn结的尖峰将产生一个通过pn结的低阻桥，并进一步加深热-电迁移，见图9。

EOS对金属引线和电阻器的损伤

人体模型的静电放电和工作中的电过应力时常伴随着大电流流过。这将损伤金属引线和电阻器。位置一般在集成电路的输入保护结构上。

电过应力引起的彻底破坏

集成电路在工作期间，当电路上存在微小缺陷或寄生结构受外来因素的激发(双极晶体管四层结构、Latch-up等)时，电路将有大电流流过，便会导致集成电路的彻底破坏。

其症状表现在接触孔、扩散区的损坏和金属化通道的烧毁；键合金丝的溶化;封装部分和烧焦等。

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