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电路失效机制
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& ?% L, v4 N/ b8 L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。
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1， EOS （ electrical overstress ）
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[2 P/ Z9 Y9 XEOS 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open&short，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。
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1 p2 E+ U9 K+ V* _% c: _7 J! C5 _1，1 ESD2 |3 m7 v! p _+ e9 `, r
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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。1 ^$ {+ ~+ x0 P# T! B4 d
( v9 L9 m- S( F$ P解决方法：/ ~* W3 O2 V9 G+ F% m8 F9 H9 T
; Y2 p& ]5 n) ?- @9 o0 x, q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。
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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.: L/ e: B( p' W; i% t6 | @6 ~3 C
6 O+ x& k4 [! N# d, t; A' e1，2 ElectromigraTIon
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$ V6 K0 V7 X$ Q! o( l0 z4 s, uElectromigration 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。 h1 H5 ~ s( ]% X
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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。; P$ [- I( P8 I5 W/ i, ] ?
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解决方法：
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: l1 r. e, w" }- ]8 J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。 N) T0 X) y$ D
[+ ~# _2 }/ P+ s% Z5 { r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。# U: e2 F2 A: i3 g7 g
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1，3 Antenna effect4 X0 P0 W D ]/ t, I
8 L! i) Q/ I3 j, ]: f% p/ H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。8 Y9 P- b- M7 T
+ J- s2 M8 `: B L3 w# M% [解决方法：% V$ E9 j D" x1 J# Q& o
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插入金属跳线。因为它们会减小poly geometry 连接到gate oxide 的面积。2 p3 z. W: T* t! x* g7 V% W- \- e
) B8 z/ q; I j- j# b8 xAntenna 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。; E Z' n$ J; x3 J
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2，Contamination" j% Q* ^7 J4 N& h) n
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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。! |- r! ~4 G, }# @" b
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3， 表面效应
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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。0 ]6 n' h! `4 ~5 k5 ]# H; y
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3，1 hot carrier injection+ X# `0 K1 o H9 Z1 z. a
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由于热振动载流子总是处于不停的扩散之中。电势可以使载流子往固定的方向漂移，但是，电势引起的漂移作用远远小于热振动使它速率的变化。只有极高的电势才能使载流子的速率发生比较明显的定向漂移，这些定向漂移的载流子就叫作热载流子。3 t* w6 o) r# @4 x& Z
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当外加较高的source-drain电压，MOS管在饱和状态下也能产生热载流子。随着drain to source 电压的增加，channel的截断区慢慢变大。在高压情况下，靠近drain区的电势变得足够大，以致于可以产生热载流子。NMOS产生热电子，PMOS产生热空穴。由于电子和空穴特性上的差异，产生热电子的电压要远远低于产生空穴的电压。在drain端产生的热电子与晶格原子发生碰撞，一些会激发到上面的gate oxide 中。大部分载流子穿过oxide 然后回到silicon中，但是有一些被oxide中的晶格缺陷所捕获。被捕获的电子停留在oxide的晶格中，使之电势升高，这种电荷转换引起了MOS管threshold voltage的变化，而且会影响到整个电路。
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, f- F/ j: b) T: K4 F, V解决方法：
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, V# ~5 L, [5 ~9 C作为开关的transistor产生相对较少的热载流子。因为它们在工作时或者完全打开，这时它们工作在线性区，或完全停止。不管那种情况下，drain-to-source的电势差都不会很大。热载流子只有在两种操作状态发生转换时才可能产生。但是很少不会有什么影响。
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0 w; [6 } o- V% S8 ~( C 长沟道的device必须有一些机制来阻止热载流子效应。热载流子只会在drain附近产生，其它的沟道是不会受到影响的，减小热载流子作用的沟道比率是有效的，比如我们可以增加整个沟道的长度。3 ]9 {! I% x- L5 c
, k( S; i! W' I/ S3，2 Parasitic channel and charge spreading" w' x, w* r0 w
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任何置于硅表面以上的导体都可以感应寄生通道。如果导体连接了两边的diffusion，那么漏电流就会从一边的diffusion流向其它。大多数寄生channel都较长，不能导通很多电流，但是即使是很小的电流，也可能使工作在低功耗条件下的anglog device 发生损坏。有时即使没有导体，仅仅是电荷的重新分布也会产生channel. 通常我们会加上channel stop 或者field plates 去阻止电荷的spreading . 而保护脆弱的电路。
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PMOS寄生channel能在一个通路下面形成。假设一条金属通路跨过nwell，这个通路可以作为pmos的gate，在High voltage base和Isolation之间就可能产生寄生pmos channel 。 但是这个gate的电压必须超过PMOS thick field threshold。
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Thick field threshold电压依靠很多因素，包括导体材料，氧化物厚度，substrate硅的方向等等，' D. g# N0 d& e. a9 a
( `! e% w6 w5 d4 G" [" n9 O; i 工程师一般认为沟道只能在导电层下面才可以产生，实际上即使没有导电层，只要有合适的source & drain，就可能产生沟道。这种机制叫作charge spreading 。例如覆盖整个集成电路的氧化物或氮化物就是极好的绝缘体，电流不能从它们上面流过，但是，静态电荷可以在绝缘体表面积累，或在两种不相似的绝缘体的表面积累。这些静态电荷并不是绝对不能移动，它们可以在电场作用下慢慢移动。集成电路中，外面的保护壳和塑料包装最容易受charge spreading 的影响。这些电荷的移动速度在很大程度上依赖于温度和外面的污染。高温和潮湿可以加速电荷的移动。
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解决方法：
8 p, A0 e5 p0 n" j. w8 P7 [
A( T: E3 q/ Y7 t' l& q# g- U由于任何P-type 区域的偏置当超过thick field threshold时，都可以作为寄生PMOS的source端，Field plants 和channel stops 能够保证从P-type region到任何连接的p-type diffusion都没有寄生沟道的产生。8 `/ ~. ^/ y; m2 P2 y) i5 @
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发表于 2022-1-10 13:21
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