MOSFET的栅极失效分析.doc

MOSFET的栅极失效分析摘要：随着MOSFET器件尺寸的减小和栅氧化层厚度的减薄，栅极失效变得愈发显著，对MOS器件和电路可靠性的影响也愈发严重，成为限制器件及电路寿命的主要因素之一。本文从MOSFET的设计、封装、实际应用三方面来阐述MOSFET栅极失效的原因，同时提供几点解决方法。关键词：MOSFET；栅极失效；封装1.引言MOSFET即金属-氧化物-半导体场效应晶体管，是一种用途广泛的电子器件。MOSFET作为电压控制型器件，具有栅极输入阻抗高，驱动功率小，电流关断能力强，开关速度快，开关损耗小等优点，在功率电源、家用电器、无间断电源（UPS）和自动系统等方面应用广泛。然而，MOSFET的栅氧在工艺设计中，会受到漏电流、导通电阻、功率损耗等参数的限制，导致MOSFET栅氧固有的脆弱性；此外，在封装制造过程中受到静电、应力、环境等因素的影响，也会对栅氧造成损坏，导致栅极失效，必须采取相应的制造控制措施，才能有效控制不良率，提升封装成品率。2.MOSFET的栅氧层的限定栅极控制器件电流的开通和关断，多数用多晶硅材料制作而成，栅极下面就是栅氧化层，一般是SIO2，作为MOS的绝缘栅介质。栅氧层厚度tox影响沟道电阻的大小（）Cox=s/tox，（介电常数）近而影响器件的功率损耗，从上式可以看出减小栅氧层厚度可以减小沟道电阻，减小功率损耗，但栅极氧化物击穿电压有一定的工业标准，厚度越小越容易发生击穿，导致栅极越容易失效；另一方面，高的tox则会导致大的功率损耗；因此栅氧厚度根据器件设计参数得到一个经验折中范围一般是1000埃-1500埃（1 =0.1nm）。 阈值电压VTH与衬底掺杂浓度和栅氧化层厚度有关，由下式可发现阈电压低的器件有可能导致栅氧层厚度低，越容易击穿。此外，MOSFET工作当中的米勒电容Cgd引起米勒震荡造成高dv/dt，造成栅失效。栅氧化层还会出现性能退化，其主要原因强电场使栅氧化层产生了漏电，漏电使的在氧化层中积蓄起很多电荷，导致氧化层击穿。综上，我认为栅氧层厚度及自身附带的米勒效应是导致栅极容易损坏的一大原因，但这已经是MOSFET器件各性能最优化后的结果，正如此，MOSFET器件方兴未艾！3.封装过程产生的影响封装的前道工序主要分为贴片和引线键合，我认为能对栅极造成影响的主要是在引线键合这一步骤，公司产线机器为OE360，它是运用超声波键合法对MOSFET产品进行引线键合。【超声键合利用超声波发生器产生的能量， 通过磁致伸缩换能器， 在超高频磁场感应下， 迅速伸缩而产生弹性振动， 经过变幅杆传给劈刀， 使劈刀相应振动， 同时在劈刀上施加一定的压力， 于是劈刀就在这两种力的共同作用下使引线和焊区两个纯净的金属面紧密接触， 达到原子间的“键合”， 从而形成牢固的焊接。】那么问题来了，栅极引线在键合过程中，劈刀会对栅极接触点施加压力，有可能造成栅氧层的损坏，使器件失效，WHY？从第一讲可知MOSFET 芯片结构有个特点就是栅氧层很薄， 容易受到外部因素的影响而产生很高的电场强度，造成器件损坏。当金属与半导体之间存在一个电压 V 时， 栅氧层的电场强度可以表示为：E=V/tox普通二氧化硅的临界击穿电场强度为5106Vcm- 1至 8106Vcm-1，理论上允许的最高电压为75V120V。可见，如果MOSFET的装配过程对栅氧层的厚度产生轻微的形变，则可使电场强度产生明显的变化，容易超出氧化层所能承受的的强度范围， 导致器件失效。要保证封装前道工序栅极的完好性，一是要必须根据 MOSFET 的芯片结构特点，并考虑不同厂家芯片的差异性，分别制定与其相匹配的键合工艺条件；二是定期对设备进行维护，保证设备的正常运转；三是加强对封装人员的培训，制定严格的岗位制度，杜绝人为原因造成的损失。4.应用过程中电学特性造成栅极失效MOSFET工作需要栅极驱动电压，一方面人为误操作给栅极加大电压超过栅极限定的电压范围，导致栅氧击穿，栅极失效；另一方面静电击穿导致栅极失效，MOS管本身的输入电阻很高，而栅-源极间电容又非常小，所以极易受外界电磁场或静电的感应而带电，而少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电压（U=Q/C），将管子损坏，比如在MOSFET焊接电路版过程中发生的静电击穿，这方面要使用防静电烙铁进行焊接，操作过程避免身体直接接触管脚；此外，MOSFET栅极驱动电路震荡造成