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1、微电子器件(din z q jin)可靠性3 失效(sh xio)物理第一页，共37页。3 失效失效(sh xio)物理物理本次(bn c)课内容：3.7 CMOS电路的闩锁效应3.8 静电放电损伤3.9 辐射损伤3.10 软误差3.11 水汽的危害补充材料：电子设备中电路板布局、布线和安装的抗ESD设计规则 元器件应用中的静电防护本次课要点：了解闩锁效应的机理和解决办法了解静电(jngdin)的来源，对器件的损伤辐照效应对器件的影响，抗核加固什么是软误差水汽对器件的危害第二页，共37页。3.7 CMOS电路电路(dinl)的闩锁效应的闩锁效应闩锁效应是指CMOS电路中寄生(jshng)的固有
2、可控硅结构被外界因素触发导通，在电源和地之间形成低阻通路现象。一旦电流流通，电滤电压不降至临界值以下，导通就无法中止，引起器件的烧毁。闩锁发生的条件两管增益之积大于1（维持正反馈）电源电压和电流足够触发寄生(jshng)电阻压降大于寄生(jshng)晶体管EB结正向压降（正偏）一般10V以上,几十mA 电流。高温时更容易发生。第三页，共37页。检测检测(jin c)(jin c)方法方法直流电源法变化电源电压，根据电源电流变化判断；缺点：有可能误判。电信号触发法电源电压不变，信号电压变化，根据电源电流判断；缺点：有可能触发不了或误判。扫描电镜法可以方便检测到失效点；缺点：比较贵，有可能与ESD
3、混淆。注：所以要看版图，有无容易闩锁的结构，有无保护(boh)等具体分析，而不能只看电流变化和烧毁情况。第四页，共37页。发生发生(fshng)闩锁的图片闩锁的图片第五页，共37页。抑制抑制(yzh)(yzh)办法办法 采用SOS工艺，在绝缘衬底上外延单晶硅制作电路绝缘衬底的硅薄膜SOI(Silicon on Insulator)。SOS 兰宝石衬底外延硅结构 (Silicon on Sapphire结构)采用保护环，有效降低横向电阻和横向电流密度。(图3.19)采用外延及阱埋层的方法，减小寄生电阻Rs,Rw和NPN电流放大系数。(图3.20)改进版图设计：多开电源和接地(jid)孔，增加周界
4、，减小接触电阻。注意使用方法：带电操作,加电次序第六页，共37页。3.8 静电放电静电放电(fng din)损伤损伤静电定义：物体带正负电荷相等(xingdng)，呈电中性。某原因电荷转移，物体即带电。电荷被绝缘体隔离不能够与异性电荷中和称静电。静电特征：电压高，电荷量小。Q=CU产生静电的两种形式：摩擦及感应第七页，共37页。静电静电(jngdin)源源人体；机器设备；工作桌椅；地板；工作服装(fzhung)；包装容器；组装、清洗测试修理区；第八页，共37页。在不同活动在不同活动(hu dng)中人体的静电中人体的静电势势第九页，共37页。典型失效机理热二次击穿金属融化体击穿介质击穿气体电弧
5、放电表面击穿损伤模式 突发性失效：器件参数恶化，完全失去功能。开路，短路，电参数严重漂移。介质击穿，铝条熔断，PN结击穿，闩锁。潜在性失效：带电体静电势（能量）低，1次ESD不能使器件突然失效。内部损伤，积累。性能退化。抗ESD静电损伤是累积性和不可恢复的，不能进行筛选(shixun)试验。第十页，共37页。静电静电(jngdin)击穿照片（如爆炸）击穿照片（如爆炸）第十一页，共37页。静电静电(jngdin)(jngdin)放电模型放电模型-HBM-HBM 人体模型HBM1.5k 100p第十二页，共37页。静电放电静电放电(fng din)(fng din)模型模型-CDM-CDM 带电(
6、di din)器件模型CDM第十三页，共37页。静电放电静电放电(fng din)(fng din)模型模型-其他其他 其他模型:电场感应模型(FIM)器件在静电场中，内部感应出电动势引起失效。机械模型(MM)类似人体模型 200p 0欧带电(di din)芯片模型(CCM)类似带电(di din)器件模型，无引脚第十四页，共37页。ESD 等级等级(dngj)划分划分ESD等级符号静电电压101999V2 20003999V3不加符号=4000V第十五页，共37页。敏感元件分类敏感元件分类(fn li)-1级级第十六页，共37页。敏感元件分类敏感元件分类(fn li)-2级级第十七页，共37
7、页。敏感元件分类敏感元件分类(fn li)-3级级第十八页，共37页。静电静电(jngdin)(jngdin)防护措施防护措施 防静电工作区：地板 工作台 湿度 接地系统 防静电器具 防护罩 操作者：手腕 工作服 操作包装 运输 储存设计防护网络管理 标志 提示等补充材料：电子设备中电路板布局、布线和安装的抗ESD设计规则(guz)普通电路中的保护电路第十九页，共37页。3.9 辐射损伤辐射损伤来源来源(liyun)：自然环境：天然相射带、宇宙自然环境：天然相射带、宇宙射线、太阳风和太阳光耀斑射线、太阳风和太阳光耀斑它们是一些带电或不带电粒子，它们是一些带电或不带电粒子，包括质子包括质子,电子
8、电子,中子中子,x射线和射线和射线等。射线等。人造环境：如核武器爆炸环人造环境：如核武器爆炸环辐射对微电子器件的损伤：辐射对微电子器件的损伤：永久损伤：辐射源去除，不能永久损伤：辐射源去除，不能恢复性能。恢复性能。半永久损伤：较短时间内，可半永久损伤：较短时间内，可以自行恢复以自行恢复瞬时损伤：器件性能立即恢复瞬时损伤：器件性能立即恢复第二十页，共37页。辐照辐照(f zho)(f zho)效应效应 位移效应：中子不带电，具有很强的穿透能力。可将原子打离原位成为间隙原子，原处留下个空位。影响：少子寿命(陷阱及俘获中心),迁移率(散射中心)等。电离效应：电子、质子、射线等辐射(fsh)粒子进入硅
9、材料并与原子轨道上的电子相碰撞产生电子空穴对而使原子电离。影响：电导率上升；化学变化，分子结构变化；氧化层中电荷增加，界面态增加。瞬时辐照效应：射线在空间电荷区产生大量电子空穴对。影响：瞬时光电流；闩锁等单粒子效应：高能重粒子引起软误差等。损伤与辐射(fsh)剂量有关,材料单位质量吸收的能量值。单位：戈瑞(Gy)第二十一页，共37页。核电损伤核电损伤(snshng)(snshng)核武器爆炸时产生的核电磁脉冲，在电子系统的输入电缆或天线(tinxin)回路中产生感应电流，电流流入系统内部，产生瞬时干扰和永久损伤。感应电流对数字电路损伤较大，能改变其逻辑状态，发生二次击穿而烧毁。对CMOS电路主
10、要引起栅穿或烧毁保护电路，也可引发闩锁。对双极型器件，主要对PN结有损伤，引起反向漏电或击穿。第二十二页，共37页。抗核加固抗核加固(ji)(1)不同类型器件具有不同的抗核能力，应根据使用需要，选用性能合适、抗核辐射能力好的器件。(2)在器件的设计制造过程中，提高器件本身抗核损伤能力：抗中子辐射加固。对双极型晶体管可减小基区宽度增加基区掺杂浓度，基区掺金以降低少子寿命。抗电离辐射加固。对MOS器件，选用100晶向的衬底，栅氧热氧化温度降低，减少栅氧厚度，减少离子注入引起的损伤。对双极器件，表面钝化层用A12O3层和Si3N4，明显提高它的抗电离辐射能力抗瞬时辐射加固。减小PN结面积，降低反偏电
11、压和少于寿命，用介质隔离代替电电路中的刚结隔离有助于器件抗瞬时辐射的能力。对CMOS电路则应消除其产生闩锁的条件。(3)整机或系统设计中，注意增加器件增益等参数的余量，采用补偿(bchng)电路，全面屏蔽和良好的接地。第二十三页，共37页。抗核加固抗核加固六种工艺六种工艺(gngy)(gngy)比较比较 第二十四页，共37页。3.10 软误差软误差(wch)什么是软误差？射线照射半导体存贮器时，引起存贮数据位丢失或变化,在下次写入时存贮器又能正常工作，它完全随机发生，这种数据位丢失叫软误差。引起软误差原因:a射线的电离效应。能量为5Mev a射线,穿入硅衬底深度约25um,沿运动路径随着能量损
12、失约产生2.5106个电子(dinz)-空穴对。第二十五页，共37页。出错出错(ch cu)模式模式1.存贮(cn zh)单元模式(有电子为0 无电子为1)2.位线模式第二十六页，共37页。临界临界(ln ji)(ln ji)电荷电荷电路产生误差所需的最小电荷量定义为临界电荷QcritQcrit=Qc-QminQc正常电荷,Qmin能正确读出的最小电荷.希望Qcrit大存储器的软误差取决于Qcrit和该单元(dnyun)的收集效率。16Kb DRAM Qcrit-10664Kb CCD Qcrit-105，软误差失效严重。随集成度上升，对软误差更敏感。第二十七页，共37页。改进改进(gijn)
13、(gijn)措施措施减少粒子来源：外界；本身封装材料阻挡层：聚酸胺系列有机高分子化合物，阻止粒子射入芯片设计容限：临界(ln ji)电荷大，增加存储单元单位面积电荷存储容量。高K，沟槽结构电容，衬底中增加掩埋，优化杂质浓度。纠错设计：ECC，有问题发现。时序控制电路，减少位线浮动时间。第二十八页，共37页。3.11 水汽水汽(shu q)的危害的危害后工序(中测,划片,键合,封装)可靠性问题。塑封：环氧树脂中，加硬化剂,填充(tinchng)剂，加热加压固化成管壳。湿气引起 1金属材料腐蚀 2器件性能退化第二十九页，共37页。水汽的来源水汽的来源(liyun)(liyun)和影响和影响来源器件
14、内部残留表面(biomin)吸附间隙渗入外界扩散影响带杂质进来溶解杂质形成电解液引起体积膨胀等作用内引线腐蚀外引线腐蚀电特性退化第三十页，共37页。铝腐蚀铝腐蚀化学化学(huxu)电化学电化学(huxu)电池电池第三十一页，共37页。铝腐蚀铝腐蚀化学化学(huxu)电化学电化学(huxu)电池电池第三十二页，共37页。外引线的锈蚀外引线的锈蚀(xi sh)本身本身 水汽水汽 电位差电位差管腿材料多用柯伐，它是铁一镍一铬的合金，除了其在机械加工中引入应力而产生应力腐蚀外，还存在电化学腐蚀。本身表面存在裂缝，或表面镀层不完整、不致密，有针孔，毛细作用使孔内凝聚水汽，出现电化学腐蚀。存在Cl-杂质离
15、子时，腐蚀速度加快。外引线周围(zhuwi)有水汽凝结，引线间有电位差(如分立器件插在印制板上)时，引线间的漏电流不断通过，离子化倾向大(标准电极电位为负)的材料如铁就产生电化学腐蚀而断裂。离子化倾向小:Cu第三十三页，共37页。水汽水汽(shu q)使电特性退化使电特性退化 水汽通过压焊点或钝化层上微裂纹进入芯片表面，溶入的一些杂质和污染物引起器件：漏电表面反型耐压降低增益下降(xijing)阈值电压漂移性能退化 器件特性有余量，易发现；无余量，特性退化。第三十四页，共37页。改进改进(gijn)措施措施1.改用低吸湿性树脂，提高(t go)树脂纯度，减少其中含Na+、C1-等有害杂质。2.
16、降低树脂热膨胀系数，添加耦合剂，改变引线框架形状，以改善材料间粘强度，防止引线框与树脂间界面进入水份。3.芯片表面加钝化层保护。如氯化硅、二氧化硅、磷硅玻璃、有机涂料或聚酷亚胺等，等离子体淀积的氮化硅膜效果明显，键合处仍不能保护。4.开发耐腐蚀布线材料及工艺。如利用等离子体放电的铝表面氧化，利用As、P等的离子注入提高(t go)铝布线膜质；难溶金属硅化物TiSi2。第三十五页，共37页。本次本次(bn c)课完课完回顾讲过的内容。参考补充：电子设备中电路板布局、布线和安装的抗ESD设计规则 元器件应用中的静电(jngdin)防护第三十六页，共37页。作业(zuy)缩小到纳米尺寸的硅基CMOS器件面临存在一些主要的可靠(kko)性问题，针对某一可靠(kko)性问题展开论述。Word文档；4000字；附文献；小论文占总成绩的30%。第三十七页，共37页。