MOS管被击穿的原因
第一、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。虽然MOS输入端有抗静电的保护措施,但仍需小心对待,在存储和运输中最好用金属容器或者导电材料包装,不要放在易产生静电高压的化工材料或化纤织物中。组装、调试时,工具、仪表、工作台等均应良好接地。要防止操作人员的静电干扰造成的损坏,如不宜穿尼龙、化纤衣服,手或工具在接触集成块前最好先接一下地。对器件引线矫直弯曲或人工焊接时,使用的设备必须良好接地。
第二、MOS电路输入端的保护二极管,其导通时电流容限一般为1mA 在可能出现过大瞬态输入电流(超过10mA)时,应串接输入保护电阻。而129#在初期设计时没有加入保护电阻,所以这也是MOS管可能击穿的原因,而通过更换一个内部有保护电阻的MOS管应可防止此种失效的发生。还有由于保护电路吸收的瞬间能量有限,太大的瞬间信号和过高的静电电压将使保护电路失去作用。所以焊接时电烙铁必须可靠接地,以防漏电击穿器件输入端,一般使用时,可断电后利用电烙铁的余热进行焊接,并先焊其接地管脚。
静电的基本物理特征为:有吸引或排斥的力量;有电场存在,与大地有电位差;会产生放电电流。这三种情形会对电子元件造成以下影响:
1.元件吸附灰尘,改变线路间的阻抗,影响元件的功能和寿命。
2.因电场或电流破坏元件绝缘层和导体,使元件不能工作(完全破坏)。
3.因瞬间的电场软击穿或电流产生过热,使元件受伤,虽然仍能工作,但是寿命受损。
上述这三种情况中,如果元件完全破坏,必能在生产及品质测试中被察觉而排除,影响较少。如果元件轻微受损,在正常测试中不易被发现,在这种情形下,常会因经过多次加工,甚至已在使用时,才被发现破坏,不但检查不易,而且损失亦难以预测。静电对电子元件产生的危害不亚于严重火灾和爆炸事故的损失。
电子元件及产品在什么情况下会遭受静电破坏呢?可以这么说:电子产品从生产到使用的全过程都遭受静电破坏的威胁。从器件制造到插件装焊、整机装联、包装运输直至产品应用,都在静电的威胁之下。在整个电子产品生产过程中,每一个阶段中的每一个小步骤,静电敏感元件都可能遭受静电的影响或受到破坏,而实际上最主要而又容易疏忽的一点却是在元件的传送与运输的过程。在这个过程中,运输因移动容易暴露在外界电场(如经过高压设备附近、工人移动频繁、车辆迅速移动等)产生静电而受到破坏,所以传送与运输过程需要特别注意,以减少损失,避免无所谓的纠纷。
现在的mos管没有那么容易被击穿,尤其是是大功率的vmos,主要是不少都有二极管保护。vmos栅极电容大,感应不出高压。若是碰上3DO型的mos管冬天不带防静电环试试,基本上摸一个挂一个。与干燥的北方不同,南方潮湿不易产生静电。还有就是现在大多数CMOS器件内部已经增加了IO口保护。但用手直接接触CMOS器件管脚不是好习惯。至少使管脚可焊性变差。
MOS管发生雪崩击穿时场强分布
MOS管击穿发生时场强分布,如果没有栅,则PN结的最大场强出现在结中间Ei,由于多晶栅的存在,则在A点又出现一个场强峰值Ed,因为MOS管具有栅结构,所以其击穿和单纯的PN结击穿是不完全相同的。
这里我们从A、B两点的场强Ei和Ed的大小来讨论MOS管的击穿特性。
Xbd是衬底中结耗尽宽度,Xdd是漏区结耗尽宽度。横向电场分布我们已经很了解,这里主要看纵向电场分布,从Xbd到Xdd,纵向电场和栅沟道电势差有关,在测试击穿时,栅是接地的,因为为0电位,所以纵向电场分布和沟道电势变化趋势一致。从B到A点,电势逐步升高,因此,纵向场强增大,但是从A到Xdd,尽管电势仍然升高,但是由于氧化层增厚,因此场强有减小趋势。所以在A点存在一个峰值电场。这个峰值电场的具体位置是否一定在多晶边缘正下方和栅氧厚度有关。但A点的位置一定在多晶边缘的外侧的漏区。
大致反应了从Xbd到Xdd的场强和电势分布情况,则分别从纵向和横向反映电场分布情况。
纵向电场分两部分,一部分是氧化层中,一部分是Si中耗尽层;同样,电势也分为两部分,一部分是在氧化层上的降落,一部分是Si中耗尽层降落。由于介电常数的关系,SiO2中场强是Si中峰值场强的3倍。
发生在鸟嘴边缘的原因是:
1.由于场氧底部浓度较高,杂质横向扩散,导致场氧边缘浓度也比沟道中高。因此,场氧边缘的耗尽区宽度比中间的要窄,容易出现结击穿。
2.场氧边缘缺陷较多,局部损伤大。
3.鸟嘴处在B点击穿的可能性要小,这是因为鸟嘴处栅氧较厚,因此,B点场强较小,较难达到临界击穿场强。
但是,假如沟道中间的耗尽区展宽到和源端连接到一起,而鸟嘴边缘仍然没有发生结击穿,则源端的电子进入沟道后被漏端收集加速,会形成很大的电流,造成沟道中间首先击穿。这就是后面要讨论的穿通击穿现象。
实际中我们发现,通过降低场注入剂量,使鸟嘴边缘溶度较小时,管子的击穿电压得到提高,但是出于场开启的考虑,一种既提高管子击穿,又尽量提高场开启的方法是,场注入不是自对准注入,使场注入版和有源区边缘有一定的距离,但是,这样会降低芯片的集成度。
沟道击穿一般都发生在鸟嘴边缘,但是实际发现,这种管子特别容易出现破坏性击穿,即使击穿测试时,电流限制在1μA时,管子也经常被烧毁,这种烧毁可能和电流主要在鸟嘴边缘泄放,造成电流密度过大,或者鸟嘴边缘缺陷等原因有关。