MOSFET的柵極失效分析

1、MOSFET勺柵極失效分析摘要：隨著MOSFE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(duì)MO彝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。本文從MOSFE的設(shè)計(jì)、封裝、實(shí)際應(yīng)用三方面來(lái)闡述MOSFE柵極失效的原因，同時(shí)提供幾點(diǎn)解決方法。關(guān)鍵詞：MOSFE;T柵極失效；封裝1 .引言MOSFET金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種用途廣泛的電子器件。MOSFET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(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，在功率電源、家用電器、無(wú)間斷電源（UPS和自動(dòng)系統(tǒng)等方面應(yīng)用廣泛。然而，MOSFE的柵氧在工藝

2、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MOSFE柵氧固有的脆弱性；止匕外，在封裝制造過(guò)程中受到靜電、應(yīng)力、環(huán)境等因素的影響，也會(huì)對(duì)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。2 .MOSFET勺柵氧層的限定柵極控制器件電流的開(kāi)通和關(guān)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勺絕緣柵介質(zhì)。柵氧層厚度tox影響溝道電阻的大小rhanfieltinnelcliinnelosCox=eS/tOX,(e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

3、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(1?=0.1nm)。閾值電壓Vth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。Nx此外，MOSFET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(chǎng)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

4、這已經(jīng)是MOSFET件各性能最優(yōu)化后的結(jié)果,正如此，MOSFET件方興未艾！3 .封裝過(guò)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(duì)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OE360它是運(yùn)用超聲波鍵合法對(duì)MOSFET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(guò)磁致伸縮換能器，在超高頻磁場(chǎng)感應(yīng)下，迅速伸縮而產(chǎn)生彈性振動(dòng)，經(jīng)過(guò)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)純凈的金屬面緊密接觸，達(dá)到原子間的“鍵合”，從而形成牢固的焊接?！磕敲磫?wèn)題來(lái)了，柵極引線在鍵合過(guò)程中，劈刀會(huì)對(duì)柵極接觸點(diǎn)施加

5、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MOSFETS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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度可以表示為：E=V/tox普通二氧化硅的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度為5X106Vcm1至8x106Vcm1,理論上允許的最高電壓為75V120V可見(jiàn)，如果MOSFE的裝配過(guò)程對(duì)柵氧層的厚度產(chǎn)生輕微的形變，則可使電場(chǎng)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)MOSFET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

6、其相匹配的鍵合工藝條件；二是定期對(duì)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(duì)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。4 .應(yīng)用過(guò)程中電學(xué)特性造成柵極失效MOSFET作需要柵極驅(qū)動(dòng)電壓，一方面人為誤操作給柵極加大電壓超過(guò)柵極限定的電壓范圍，導(dǎo)致柵氧擊穿，柵極失效；另一方面靜電擊穿導(dǎo)致柵極失效，MOST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(chǎng)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=Q/。，將管子損壞，比如在MOSFET接電路版過(guò)程中發(fā)生的靜電擊穿，這方面要使用防靜電烙鐵進(jìn)行焊接，操作過(guò)程避免身體直接接觸管腳；止匕外，MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路震蕩造