MOSFET的柵極失效分析

傳播優(yōu)秀版文檔希塑對您有幫助.可雙擊去除！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(yán)重，成為限制器件及電路壽命的主要因素之一。木文從MOSFET的設(shè)計(jì)、封裝、實(shí)際應(yīng)用三方而來闡述MOSFET柵極失效的原因，同時(shí)提供幾點(diǎn)解決方法。關(guān)鍵詞：MOSFET；柵極失效；封裝引言MOSFET即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)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(qū)動(dòng)功率小，電流關(guān)斷能力強(qiáng)，開關(guān)速度快，開關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，在功率電源、家用電器、無間斷電源（UPS）和自動(dòng)系統(tǒng)等方面應(yīng)用廣泛。然而，MOSFET的柵氧在工藝設(shè)計(jì)中，會(huì)受到漏電流、導(dǎo)通電阻、功率損耗等參數(shù)的限制，導(dǎo)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(yīng)力、環(huán)境等因素的影響，也會(huì)對柵氧造成損壞，導(dǎo)致柵極失效，必須采取相應(yīng)的制造控制措施，才能有效控制不良率，提升封裝成品率。MOSFET的柵氧層的限定柵極控制器件電流的開通和關(guān)斷，多數(shù)用多晶硅材料制作而成，柵極下而就是柵氧化層，一般是SI02，作為MOS的絕緣柵介質(zhì)。柵氧層厚度tox影響溝道電阻的大小門 ^channel 1人十二 nchannel^channelox ~)Cox二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(biāo)準(zhǔn)，厚度越小越容易發(fā)生擊穿，導(dǎo)致柵極越容易失效；另一方面，高的tox則會(huì)導(dǎo)致大的功率損耗；因此柵氧厚度根據(jù)器件設(shè)計(jì)參數(shù)得到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)折中范圍一般是1000埃-1500埃(1A=0.lnm)o閾值電壓V甬與襯底摻雜濃度和柵氧化層厚度有關(guān)，由下式可發(fā)現(xiàn)閾電壓低的器件有可能導(dǎo)致柵氧層厚度低，越容易擊穿。此外，MOSFET工作當(dāng)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(huì)出現(xiàn)性能退化，其主要原因強(qiáng)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(dǎo)致氧化層擊穿。綜上，我認(rèn)為柵氧層厚度及自身附帶的米勒效應(yīng)是導(dǎo)致柵極容易損壞的一大原因，但這己經(jīng)是MOSFET器件各性能最優(yōu)化后的結(jié)果，正如此，MOSFET器件方興未艾！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(rèn)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(jī)器為0E360,它是運(yùn)用超聲波鍵合法對M0SFET產(chǎn)品進(jìn)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(yīng)下，迅速伸縮而產(chǎn)生彈性振動(dòng)，經(jīng)過變幅桿傳給劈刀，使劈刀相應(yīng)振動(dòng)，同時(shí)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(gè)純凈的金屬而緊密接觸，達(dá)到原子間的“鍵合”，從而形成牢固的焊接?！磕敲磫栴}來了，柵極引線在鍵合過程中，劈刀會(huì)對柵極接觸點(diǎn)施加壓力，有可能造成柵氧層的損壞，使器件失效，WHY?從第一講可知M0SFET芯片結(jié)構(gòu)有個(gè)特點(diǎn)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(qiáng)度，造成器件損壞。當(dāng)金屬與半導(dǎo)體之間存在一個(gè)電壓V時(shí)，柵氧層的電場強(qiáng)度可以表示為：E=V/tox普通二氧化硅的臨界擊穿電場強(qiáng)度為5X10%T-cm_1至8X10%tcnf1,理論上允許的最高電壓為75V~120V?？梢?，如果M0SFET的裝配過程對柵氧層的厚度產(chǎn)生輕微的形變，貝回使電場強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的變化，容易超出氧化層所能承受的的強(qiáng)度范圍，導(dǎo)致器件失效。要保證封裝前道工序柵極的完好性，一是要必須根據(jù)M0SFET的芯片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(shè)備進(jìn)行維護(hù)，保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；三是加強(qiáng)對封裝人員的培訓(xùn)，制定嚴(yán)格的崗位制度，杜絕人為原因造成的損失。應(yīng)用過程中電學(xué)特性造成柵極失效M0SFET工作需要柵極驅(qū)動(dòng)電壓，一方而人為誤操作給柵極加大電壓超過柵極限定的電壓范圍，導(dǎo)致柵氧擊穿，柵極失效；另一方而靜電擊穿導(dǎo)致柵極失效，M0S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(yīng)而帶電，而少量電荷就可在極間電容上形成相當(dāng)高的電壓（U二Q/C），將管子損壞，比如在M0SFET焊接電路版過程中發(fā)生的靜電擊穿，這方而要使用防靜電烙鐵進(jìn)行焊接，操作過程避免身體直接接觸管腳；此外，M0SFET柵極驅(qū)動(dòng)電路震蕩造成電壓尖峰等，造成器件失效，