1、微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,1,微電子器件的可靠性 Microelectronics Reliability,第十二章CMOS電路的閂鎖效應(yīng) (Latch-up Effect),微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,2,NPNP可控硅的工作特性,可控硅的特性曲線,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,3,CMOS電路的閂鎖效應(yīng),CMOS電路閂鎖效應(yīng)是在異常工作條件下， 引發(fā)的 CMOS 電路 中的寄生晶體管進(jìn)入 的一種異常狀態(tài)。 CMOS電路受激發(fā)發(fā)生閂鎖效應(yīng)時(shí)，電 路的 VDD 與VSS 間呈低阻狀態(tài)，類似可控硅器件的特性。因而閂鎖效應(yīng)也成為可控硅效應(yīng)。,微電子器件的可靠性,

2、復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,4,閂鎖效應(yīng)分類,如激發(fā)源去除后，電路仍保持低阻狀 態(tài)，這種閂鎖稱為 自持的閂鎖效應(yīng)。如 激發(fā)源去除后，電 路返回原來(lái)的高阻 狀態(tài)，則稱為非自 持的閂鎖效應(yīng)。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,5,閂鎖效應(yīng)的危害,進(jìn)入低阻狀態(tài)后，若外電路不能限制器件中電流的大小，可能有過(guò)量的電流流過(guò)電路，引起器件局部過(guò)熱，發(fā)生金屬化熔化或燒斷，致使PN 結(jié)漏電流增加 或短路， 造成電路 失效。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,6,CMOS電路中的寄生三極管,閂鎖效應(yīng)是一種寄生三極管效應(yīng)。 CMOS電路中的各個(gè)P、N型區(qū)可組成若干個(gè)寄生 雙極型三極管，組成四層的PNPN結(jié)構(gòu)。

3、也可看作PNP三極管和 NPN三極管相互連接。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,7,閂鎖效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理,由一個(gè) PNP三極管 及一個(gè) NPN 三極管 相串接的 PNPN 四 層結(jié)構(gòu)。在加 VDD 后，J1，J3 兩個(gè)PN 結(jié)處于正向偏置，J2 處 于反向偏置。 Ic1 = II + ICO1 Ic2 = 2 I + ICO2 I = Ic1 + Ic2 由上兩式得 I =(1 + 2 ) I + ICO1 + ICO2 I = (ICO1 + ICO2)/1 (1 + 2 ) 當(dāng)(1 + 2 ) 1，電 路 總 電 流 I ,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,8,CMOS閂鎖電路

4、模型,CMOS閂鎖電路模型,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,9,發(fā)生閂鎖效應(yīng)的條件,發(fā)生閂鎖效應(yīng)的條件是 1+ 2 1， 若用三極管的共發(fā)射極電流放大系數(shù) 來(lái)表 示， 則為 1 2 1 這表明當(dāng)兩個(gè)寄生三極管的電流放大系數(shù) 達(dá)到一定值時(shí)，電流的增加會(huì)不受到限制， 這時(shí)就發(fā)生CMOS 電路的閂鎖效應(yīng)。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,10,發(fā)生閂鎖效應(yīng)的條件,考慮了存在襯底電阻RS 和阱電阻 RW時(shí)，發(fā)生閂鎖效應(yīng)的臨界條件是： NPN PNP 11 PNP)(IRSub +(IRW/PNP ) / 1IRSub IRW(1+(1/ PNP) 式中 IRSub 為流過(guò)襯底電阻的電流

5、，IRW 為流過(guò)阱電阻的電流。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,11,發(fā)生閂鎖效應(yīng)的條件,CMOS 電路發(fā)生閂鎖效要滿足以下四個(gè)條 件： 電路能夠進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換，相關(guān)的PNPN結(jié)構(gòu)回 路增益必須大于1； 寄生雙極晶體管的發(fā)射極基極處于正向偏 置。最初僅一個(gè)晶體管處于正偏，當(dāng)電流注 入后，引起另一個(gè)晶體管的發(fā)射極基極處 于正向偏置； 3.電流的電源能夠提供足夠高的電壓，其數(shù)值大于或等于維持電壓 ； 4.觸發(fā)源能保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使器件進(jìn)入閂 鎖狀態(tài)。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,12,CMOS電路閂鎖效應(yīng)的觸發(fā)方式,1. 輸入節(jié)點(diǎn)的上沖/下沖； 2.輸出節(jié)點(diǎn)的上沖/下沖； 3.

6、 N 阱 的 雪 崩 擊 穿； 4.從N阱到外部N形擴(kuò)散區(qū)的穿通； 5. 襯底到內(nèi)部P 擴(kuò)散區(qū)的穿通； 6.寄生場(chǎng)區(qū)器件(寄生場(chǎng)效應(yīng)管由N阱和離N 阱很近的N擴(kuò)散區(qū)的場(chǎng)區(qū)形成)的穿通； 7. 光電流輻射； 8. 源漏結(jié)雪崩擊穿； 9. 位移電流。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,13,防止閂鎖效應(yīng)的措施,減小電流放大系數(shù) 增加擴(kuò)散區(qū)的間距 增加阱的深度 采用保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu) 減小寄生電阻 采用外延襯底,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,14,防止閂鎖效應(yīng)的措施,工藝技術(shù)措施 A. 減小材料的少數(shù)載流子壽命 如采用金擴(kuò)散， B. 建立基區(qū)的減速場(chǎng) 建立基區(qū)減速場(chǎng)的 一個(gè)方法是在P 阱下面

7、加一個(gè)P埋層，自建電場(chǎng)和脈沖外擴(kuò)散減速場(chǎng)，可使縱向PNPN的電流增益減小了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。 C. 采用肖特基勢(shì)壘源漏極 它與擴(kuò)散源漏 極相比，它的發(fā)射極注入效率要小得多。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,15,防止閂鎖效應(yīng)的措施,設(shè)計(jì)方面的措施： 1。采用保護(hù)結(jié)構(gòu) 保護(hù)結(jié)構(gòu)有：少數(shù)載流子保護(hù) 結(jié)構(gòu)和多數(shù)載流子保護(hù)結(jié)構(gòu)。 少數(shù)載流子保護(hù)結(jié)構(gòu)（通常稱為保護(hù)環(huán)是用 來(lái)提前收集會(huì)引起閂鎖的注入的少數(shù)載流子。它可以是受反向偏置的源漏極擴(kuò)散區(qū)或是另 加的阱擴(kuò)散區(qū)。 測(cè)量表明，注入P 襯底的電子，只有百分之幾 能從包圍寄生發(fā)射極的N阱保護(hù)環(huán)中逃逸。而 用P外延襯底 P 制造的同樣結(jié)構(gòu)，N阱保護(hù) 環(huán)中逃逸

8、的機(jī)率就降到百萬(wàn)分之幾。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,16,少數(shù)載流子保護(hù)結(jié)構(gòu),三種N保護(hù)環(huán),微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,17,防止閂鎖效應(yīng)的措施,2。多條阱接觸 3。襯底接觸環(huán) 4。緊鄰源極接觸,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,18,防止閂鎖效應(yīng)的措施,雙極型耦工藝： 1。外延CMOS 2。較低薄層電阻的退化阱 3。襯底和阱的偏置 4。深槽隔離技術(shù),微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,19,閂 鎖 效 應(yīng) 的 試 驗(yàn),目前常用的標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)電子工程協(xié)會(huì)( EIA Electronic Industres Association）制定的EIA/JESD 78 集成電 路閂鎖試驗(yàn) ( IC Latcu-Up Test ) . 閂鎖試驗(yàn)包括電流試驗(yàn)（I Test) 和電源電壓過(guò)壓試驗(yàn)(Vsupply Over Voltage Test)。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系,20,電流試驗(yàn),電流試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)試 驗(yàn)端向器件注入一定 量的電流，檢查在該 注入電流下，電路是 否會(huì)進(jìn)入閂鎖狀態(tài)。 注入電流包括正電流和負(fù)電流兩個(gè)極性。 試驗(yàn)端的狀態(tài)包括邏楫高和邏輯低兩個(gè)狀態(tài)。 正注 入電流的一般是100mA +Inom或 1.5Inom 中的 數(shù)量大的一個(gè)。 負(fù)注入電流的一般是100mA 或0.5Inom 中的數(shù)量大的一個(gè)。試驗(yàn)時(shí)，電源電壓 是最大工作電