电路失效机制

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。

 

1，  EOS （ electrical overstress ）

EOS 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。

 

1，1          ESD

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。

 

解决方法：

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。

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.

 

1，2          Electromigration

Electromigration 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。

 

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。

 

解决方法：

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。

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。

 

1，3          Antenna effect

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。

 

解决方法：

插入金属跳线。因为它们会减小poly geometry 连接到gate oxide 的面积。

Antenna 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。

 

2，Contamination

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。

 

3，  表面效应

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。

 

3，1  hot carrier injection

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。

       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。

      

解决方法：

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。

       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。

 

3，2 Parasitic channel and charge spreading

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。

       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。

       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，

       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。

 

解决方法：

       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。

参考：《the art of analog layout》