的柵極失效分析

1、MOSFET的柵極失效分析摘要：隨著MOSFET器件尺寸的減小和柵氧化層厚度的減薄，柵極失效變得愈發(fā)顯著，對MOS器件和電路可靠性的影響也愈發(fā)嚴重，成為限制器件及電路壽命的主要因素之一。本文從MOSFET的設計、封裝、實際應用三方面來闡述MOSFET柵極失效的原因，同時提供幾點解決方法。關鍵詞：MOSFET；柵極失效；封裝1.引言MOSFET即金屬-氧化物-半導體場效應晶體管，是一種用途廣泛的電子器件。MOSFET作為電壓控制型器件，具有柵極輸入阻抗高，驅動功率小，電流關斷能力強，開關速度快，開關損耗小等優(yōu)點，在功率電源、家用電器、無間斷電源（UPS）和自動系統(tǒng)等方面應用廣泛。然而，MOSFE

2、T的柵氧在工藝設計中，會受到漏電流、導通電阻、功率損耗等參數(shù)的限制，導致MOSFET柵氧固有的脆弱性；此外，在封裝制造過程中受到靜電、應力、環(huán)境等因素的影響，也會對柵氧造成損壞，導致柵極失效，必須采取相應的制造控制措施，才能有效控制不良率，提升封裝成品率。2.MOSFET的柵氧層的限定柵極控制器件電流的開通和關斷，多數(shù)用多晶硅材料制作而成，柵極下面就是柵氧化層，一般是SIO2，作為MOS的絕緣柵介質。柵氧層厚度tox影響溝道電阻的大?。ǎ〤ox=s/tox，（介電常數(shù)）近而影響器件的功率損耗，從上式可以看出減小柵氧層厚度可以減小溝道電阻，減小功率損耗，但柵極氧化物擊穿電壓有一定的工業(yè)標準，厚度

3、越小越容易發(fā)生擊穿，導致柵極越容易失效；另一方面，高的tox則會導致大的功率損耗；因此柵氧厚度根據(jù)器件設計參數(shù)得到一個經(jīng)驗折中范圍一般是1000埃-1500埃（1 Å =0.1nm）。 閾值電壓VTH與襯底摻雜濃度和柵氧化層厚度有關，由下式可發(fā)現(xiàn)閾電壓低的器件有可能導致柵氧層厚度低，越容易擊穿。此外，MOSFET工作當中的米勒電容Cgd引起米勒震蕩造成高dv/dt，造成柵失效。柵氧化層還會出現(xiàn)性能退化，其主要原因強電場使柵氧化層產(chǎn)生了漏電，漏電使的在氧化層中積蓄起很多電荷，導致氧化層擊穿。綜上，我認為柵氧層厚度及自身附帶的米勒效應是導致柵極容易損壞的一大原因，但這已經(jīng)是MOSFET器

4、件各性能最優(yōu)化后的結果，正如此，MOSFET器件方興未艾！3.封裝過程產(chǎn)生的影響封裝的前道工序主要分為貼片和引線鍵合，我認為能對柵極造成影響的主要是在引線鍵合這一步驟，公司產(chǎn)線機器為OE360，它是運用超聲波鍵合法對MOSFET產(chǎn)品進行引線鍵合?！境曟I合利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的能量， 通過磁致伸縮換能器， 在超高頻磁場感應下， 迅速伸縮而產(chǎn)生彈性振動， 經(jīng)過變幅桿傳給劈刀， 使劈刀相應振動， 同時在劈刀上施加一定的壓力， 于是劈刀就在這兩種力的共同作用下使引線和焊區(qū)兩個純凈的金屬面緊密接觸， 達到原子間的“鍵合”， 從而形成牢固的焊接。】那么問題來了，柵極引線在鍵合過程中，劈刀會對柵極接觸點施

5、加壓力，有可能造成柵氧層的損壞，使器件失效，WHY？從第一講可知MOSFET 芯片結構有個特點就是柵氧層很薄， 容易受到外部因素的影響而產(chǎn)生很高的電場強度，造成器件損壞。當金屬與半導體之間存在一個電壓 V 時， 柵氧層的電場強度可以表示為：E=V/tox普通二氧化硅的臨界擊穿電場強度為5×106V·cm- 1至 8×106V·cm-1，理論上允許的最高電壓為75V120V?？梢?，如果MOSFET的裝配過程對柵氧層的厚度產(chǎn)生輕微的形變，則可使電場強度產(chǎn)生明顯的變化，容易超出氧化層所能承受的的強度范圍， 導致器件失效。要保證封裝前道工序柵極的完好性，一是要必

6、須根據(jù) MOSFET 的芯片結構特點，并考慮不同廠家芯片的差異性，分別制定與其相匹配的鍵合工藝條件；二是定期對設備進行維護，保證設備的正常運轉；三是加強對封裝人員的培訓，制定嚴格的崗位制度，杜絕人為原因造成的損失。4.應用過程中電學特性造成柵極失效MOSFET工作需要柵極驅動電壓，一方面人為誤操作給柵極加大電壓超過柵極限定的電壓范圍，導致柵氧擊穿，柵極失效；另一方面靜電擊穿導致柵極失效，MOS管本身的輸入電阻很高，而柵-源極間電容又非常小，所以極易受外界電磁場或靜電的感應而帶電，而少量電荷就可在極間電容上形成相當高的電壓（U=Q/C），將管子損壞，比如在MOSFET焊接電路版過程中發(fā)生的靜電擊穿，這方面要使用防靜電烙鐵進行焊接，操作過程避免身體直接接觸管腳；此外，MOSFET柵極驅動電路震蕩