微电子器件的可靠性-复旦大学

微电子器件的可靠性

MicroelectronicsReliability第十一章电过应力

（EOS)微电子器件的可靠性1复旦大学材料科学系引言电过应力是引起器件失效的主要失效机理之一。

某空间计算机的失效器件中，有60－70％是电过应力引起的。

微电子器件的可靠性2复旦大学材料科学系失效原因占百分率％IC设计，制造，装配25EOS46ESD阈6EOS\ESD5重测合格17

1988年美国军用装备现场失效的

微电子器件失效分布

微电子器件的可靠性3复旦大学材料科学系电过应力失效的类别过热引起的烧毁、晶体管的二次击穿（SecondBreakdownSB）CMOS的闩锁效应(Latch-up)静电放电(Electeo-StaticDicharge)

微电子器件的可靠性4复旦大学材料科学系微电子器件的功率阈值

1。器件的温度达到半导体材料的本征激发温度时，半导体材料发生本征激发，载流子数量激增，器件失去它的正常性能。2。温度达到金属化铝的熔点时会引起铝膜的熔化、断裂。3。为保持微电子器件的性能正常，器件的温度有它的极限，从功率来说，就有它的功率阈值。微电子器件的可靠性5复旦大学材料科学系

P－N结的功率阈值(1)

1.在单个脉冲功率下，将器件中有电流流过的区域定义在(a.b.c.)区域内。脉冲电流从表面ab平面流向内部。在开始时器件温度为T0，该区域温度的变化可通过热流方程来描述。

Cp(T/t)=H+(kT)

2.若器件最高允许温度TM是确定的，从解微分方程式，就可得到不同脉冲宽度下，器件的允许功率。微电子器件的可靠性6复旦大学材料科学系P－N结的功率阈值(2)最大允许功率PF与脉冲宽度关系tf

：PF

tf-1绝热区PF

tf-1/2不完全绝热

3.PF

const等功率区微电子器件的可靠性7复旦大学材料科学系Wunsch-Bell

公式1968年Wunsch-Bell从一维线性热流动模型,推导出平均功率密度，温度与时间的关系：Pav=(

Cp)1/2(Tm

T0)t-1/2

以硅的熔点Tm=1415

C,可计算硅器件Pav与脉冲宽度间的关系二极管Pav＝560t-1/2

三极管Pav＝310t-1/2

平均Pav＝480t

-1/2

Pav的单位是KW/cm2,时间t的单位是

s.微电子器件的可靠性8复旦大学材料科学系集成电路的Pav集成电路的Pav与脉冲宽度间的关系可写为：Pav＝

At

B（A，B为常数）各种不同的器件常数A，B也不同。

电路类型

ABTTLinput0.002160.089output0.003590.722MOSinput0.05464.483output0.00140.815power0.105.0.643Liearinout0.07430.600out0.01390.712微电子器件的可靠性9复旦大学材料科学系

二氧化硅薄膜的阈值二氧化硅薄膜因热导率很低，会发生过热而熔化，发生失效。损坏能量E与脉冲宽度tD间的关系为：

tD＝2REln(VD/VBD)/(V

V)

外加电压VD，

薄膜击穿电压VBD，串联电阻R，

微电子器件的可靠性10复旦大学材料科学系金属化的阈值

按Wunsch的估计为

Pt－1~t－1/2t~1msPt－1/2~t0t~100ms微电子器件的可靠性11复旦大学材料科学系金属化的阈值Al,Al-Si金属化最大脉冲电流与金属化厚度的关系

微电子器件的可靠性12复旦大学材料科学系金属内引线的阈值器件的内引线的散热途径有：从两端键合点通过管座、内引线通过周围的空气或塑封料散热。因两端键合点的散热能力较强，当电流通过引线时,两端键合点温度最低，而引线中央温度最高。微电子器件的可靠性13复旦大学材料科学系金属内引线的阈值内引线的熔融电路与金属丝的直径、丝的长度等有关。微电子器件的可靠性14复旦大学材料科学系金属内引线的阈值美国军用标准MIL－PRF－38535E规定直流恒定电流下，最大电流I与其直径d的关系

I＝kd2/3,其中k是常数(与材料种类、引线长度L有关)。

D的单位是米。

材料

K值

L

0.1cmL

0.1cmAl2200015200Au30-00020500Cu3000020500Ag1500010500其它90006300微电子器件的可靠性15复旦大学材料科学系晶体管的击穿特性

晶

体

管

的

击

穿

电

压

有

以

下

几

种：1.

发射极开路，集电极－

基极击穿电压

BVCBO；2.

集电极开路，发射极－

基极击穿电压

BVEBO；3.

基极开路，集电极－发射极击穿电压

BVCEO；4.基极接地，

集电极－发射极击穿电压

BVCES

；5.发射极－基极反偏，集电极－发射极击穿电压

BVCEX；6.

发射极－基极间接电阻R时，集电极－发射极击穿

电压

BVCER。

BVCBO

BVCES

BVCER

BVCEX

BVCEO微电子器件的可靠性16复旦大学材料科学系晶体管的击穿特性曲线在BVCBO

和

BVCEO

关系：BVCBO＝BVCEO/(1+HFE)1/n微电子器件的可靠性17复旦大学材料科学系二次击穿二次击穿现象：在晶体管的集电结处于反偏状态下，继续增加电压，当到达一定的电压、电流时，集电极电压突然减小，降低到很低的数值，结的动态电阻很小。发生二次击穿后，若

外电路没有限流的情况下，电流会很大，导致器件因过热而损坏。

微电子器件的可靠性18复旦大学材料科学系二次击穿二次击穿分为：正偏二次击穿负偏二次击穿。微电子器件的可靠性19复旦大学材料科学系二次击穿的过程1。P－N结发生击穿；2。P－N结电压由高压区转移到低压区，该低电压点称为维持电压；3。电流以低的动态电

阻迅速增加；4。器件因过电流、高温而烧毁。

微电子器件的可靠性20复旦大学材料科学系二次击穿的机理正偏二次击穿：热不稳定性模型反偏二次击穿基区夹紧效应

微电子器件的可靠性21复旦大学材料科学系NMOS的二次击穿

NMOS的二次击穿是一种寄生三极管效应

。

微电子器件的可靠性2