電路失效機制

集成電路雖然是一個精巧的不相容device 集合體，但是很少有絕對完美的。很多都包含了一些很小的缺陷，它們的存在有時會使電路不可避免的走向失效。

1，? EOS （ electrical overstress ）

EOS 指的是由于過多的電壓和電流的使用而導(dǎo)致芯片失效。它有三種表現(xiàn)形式，首先是我們常見的ESD，ESD是由于靜態(tài)電流引起的過應(yīng)力，一般我們在脆弱的pad旁邊加上保護電路可以減小這種ESD的失效。其次是electromigration,它是由電積累引起的緩慢的失效，一般會在相鄰的路徑旁形成open&short，我們可以通過把通路畫的足夠?qū)拋硖幚泶蟮碾娏?。還有一種就是antenna effect ,它是由于在化學(xué)腐蝕或離子注入時門極上電勢的積累造成。

1，1????????? ESD

ESD能引起很多形式的損壞，包括gate 斷裂，gate退化，極端情況下可以使金屬或硅氣化。不到50V的電壓就可以使MOS的gate損壞，它通常會使gate短路。使用氧化物或氮化物的電容也易受ESD攻擊。如果一個pin是連接到diffusion上的，那么它通常會在門氧化物的毀壞前引起diffusion的雪崩。沒有完全損壞的雪崩通常會引起持續(xù)的漏電。

解決方法：

所有易受攻擊的pin都必須有ESD保護電路連接到它們的bonding pads。但是有些連接到substrate或是large diffusion 的pin不需要ESD保護。因為這些電路可以在ESD損壞其它電路之前疏散或吸收ESD能量。如很多電路的power pad一般都連到diffusion,所以它們本身就有很強的ESD抵抗力。

連接到相對較小的diffusion的pin，尤其是那些連接到小NPN的base 或emitter的pin，容易被ESD損壞。因此因該在這些pin上加上ESD保護電路。這些電路通常包含一些串連電阻，或primary ESD protection 和secondary ESD protection.

1，2????????? Electromigration

Electromigration 是由極高的電流濃度引起的緩慢失效現(xiàn)象。移動的載流子和固定的金屬原子的碰撞使金屬原子慢慢被替代。盡管這看起來需要極大的電流濃度，但是在現(xiàn)在次微米的制成中，用最小寬度的電流通路有時會經(jīng)受milliamps的電流。

通常我們會用Al作為poly的材料。它的晶格粒子通常是連接在一起的，但是電遷移使金屬原子慢慢離開它們的粒子邊界，在相鄰的粒子之間形成空洞。這種機制導(dǎo)致通路的有效區(qū)域減少因此提升了電流濃度。

解決方法：

加入難熔金屬可以改變我們看到的失效模型，既然難熔金屬有較大的電阻，大部分電流會首先隨著Al流動，一旦產(chǎn)生的空穴填滿了Al，難熔金屬會導(dǎo)電。因為難熔金屬阻止電遷移的效果較好，所以這條通路不會完全失效。有時，AL中積累的空穴會導(dǎo)致通路電阻慢慢不規(guī)則的增加，更壞的情況是，當Al原子結(jié)構(gòu)被空穴填滿，因為碰撞而出來的Al離子有時和旁邊的Al離子short到一起。

為了防止電遷移的失效，難熔金屬有時也被用到contact & via上，因為它可以保證電流的連續(xù)性。

1，3????????? Antenna effect

干法腐蝕通常會產(chǎn)生很多的等離子體。在腐蝕gate poly 或oxide時，靜電離子可能會積聚在gate poly 上。以致電壓可能會變得很大，因此會有電流流過gate oxide .盡管這些積累的能量還不足以毀掉gate oxide ,但是它們會降低絕緣體的強度。這種退化指數(shù)正比于（total gate oxide area /gate oxide ）。每個poly 收集正比于其面積的靜電離子。一個小的gate oxide 連接到大的poly geometry 可能會受到很大的損壞。這種現(xiàn)象稱為antenna effect ,因為大的poly area 象一根天線收集和很多電子，這些電子流過了脆弱的gate oxide 使之損壞。

解決方法：

插入金屬跳線。因為它們會減小poly geometry 連接到gate oxide 的面積。

Antenna effect 也常常發(fā)生在金屬層上，我們一般也采用高層金屬跳線的方式來避免。但是在不能用金屬跳線的情況下，通過保證低層金屬連接到diffusion 也可以。

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2，Contamination

集成電路不可避免的受到各種各樣的污染，其中主要包括dry corrosion 時的污染和移動離子污染。

3，? 表面效應(yīng)

表面電勢過高可能會注入熱載流子到上面的氧化物中，而且它也可以感應(yīng)出寄生通道。這兩種效應(yīng)都可以稱為表面效應(yīng)，因為它發(fā)生在硅和它的上面氧化物的表面。

3，1? hot carrier injection

由于熱振動載流子總是處于不停的擴散之中。電勢可以使載流子往固定的方向漂移，但是，電勢引起的漂移作用遠遠小于熱振動使它速率的變化。只有極高的電勢才能使載流子的速率發(fā)生比較明顯的定向漂移，這些定向漂移的載流子就叫作熱載流子。

?????? 當外加較高的source-drain電壓，MOS管在飽和狀態(tài)下也能產(chǎn)生熱載流子。隨著drain to source 電壓的增加，channel的截斷區(qū)慢慢變大。在高壓情況下，靠近drain區(qū)的電勢變得足夠大，以致于可以產(chǎn)生熱載流子。NMOS產(chǎn)生熱電子，PMOS產(chǎn)生熱空穴。由于電子和空穴特性上的差異，產(chǎn)生熱電子的電壓要遠遠低于產(chǎn)生空穴的電壓。在drain端產(chǎn)生的熱電子與晶格原子發(fā)生碰撞，一些會激發(fā)到上面的gate oxide 中。大部分載流子穿過oxide 然后回到silicon中，但是有一些被oxide中的晶格缺陷所捕獲。被捕獲的電子停留在oxide的晶格中，使之電勢升高，這種電荷轉(zhuǎn)換引起了MOS管threshold voltage的變化，而且會影響到整個電路。?

解決方法：

作為開關(guān)的transistor產(chǎn)生相對較少的熱載流子。因為它們在工作時或者完全打開，這時它們工作在線性區(qū)，或完全停止。不管那種情況下，drain-to-source的電勢差都不會很大。熱載流子只有在兩種操作狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時才可能產(chǎn)生。但是很少不會有什么影響。

?????? 長溝道的device必須有一些機制來阻止熱載流子效應(yīng)。熱載流子只會在drain附近產(chǎn)生，其它的溝道是不會受到影響的，減小熱載流子作用的溝道比率是有效的，比如我們可以增加整個溝道的長度。

3，2 Parasitic channel and charge spreading

任何置于硅表面以上的導(dǎo)體都可以感應(yīng)寄生通道。如果導(dǎo)體連接了兩邊的diffusion，那么漏電流就會從一邊的diffusion流向其它。大多數(shù)寄生channel都較長，不能導(dǎo)通很多電流，但是即使是很小的電流，也可能使工作在低功耗條件下的anglog device 發(fā)生損壞。有時即使沒有導(dǎo)體，僅僅是電荷的重新分布也會產(chǎn)生channel. 通常我們會加上channel stop 或者field plates 去阻止電荷的spreading . 而保護脆弱的電路。

?????? PMOS寄生channel能在一個通路下面形成。假設(shè)一條金屬通路跨過nwell，這個通路可以作為pmos的gate，在High voltage base和Isolation之間就可能產(chǎn)生寄生pmos channel 。 但是這個gate的電壓必須超過PMOS thick field threshold。

?????? Thick field threshold電壓依靠很多因素，包括導(dǎo)體材料，氧化物厚度，substrate硅的方向等等，

?????? 工程師一般認為溝道只能在導(dǎo)電層下面才可以產(chǎn)生，實際上即使沒有導(dǎo)電層，只要有合適的source & drain，就可能產(chǎn)生溝道。這種機制叫作charge spreading 。例如覆蓋整個集成電路的氧化物或氮化物就是極好的絕緣體，電流不能從它們上面流過，但是，靜態(tài)電荷可以在絕緣體表面積累，或在兩種不相似的絕緣體的表面積累。這些靜態(tài)電荷并不是絕對不能移動，它們可以在電場作用下慢慢移動。集成電路中，外面的保護殼和塑料包裝最容易受charge spreading 的影響。這些電荷的移動速度在很大程度上依賴于溫度和外面的污染。高溫和潮濕可以加速電荷的移動。

解決方法：