【導(dǎo)讀】在商業(yè)、工業(yè)及汽車電子領(lǐng)域，高溫環(huán)境對集成電路的性能、可靠性和安全性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著應(yīng)用場景向極端溫度條件延伸，高結(jié)溫引發(fā)的漏電增加、壽命衰減等問題日益凸顯，亟需通過創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)突破技術(shù)瓶頸。本文將解析高溫對集成電路的深層影響，揭示高結(jié)溫帶來的五大核心挑戰(zhàn)，并探討針對性的高功率設(shè)計解決方案。
在商業(yè)、工業(yè)及汽車電子領(lǐng)域，高溫環(huán)境對集成電路的性能、可靠性和安全性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著應(yīng)用場景向極端溫度條件延伸，高結(jié)溫引發(fā)的漏電增加、壽命衰減等問題日益凸顯，亟需通過創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)突破技術(shù)瓶頸。本文將解析高溫對集成電路的深層影響，揭示高結(jié)溫帶來的五大核心挑戰(zhàn)，并探討針對性的高功率設(shè)計解決方案。
高結(jié)溫帶來的挑戰(zhàn)
半導(dǎo)體器件在較高溫度下工作會降低電路性能，縮短使用壽命。對于硅基半導(dǎo)體而言，晶體管參數(shù)會隨著溫度的升高而下降，由于本征載流子密度的影響，最高極限會低于 300℃。依靠選擇性摻雜的器件可能會失效或性能不佳。
影響 IC 在高溫下工作的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：
? 泄漏電流增加
? MOS 晶體管閾值電壓降低
? 載流子遷移率降低
? 提高閂鎖效應(yīng)（Latch-Up）敏感性
? 加速損耗機(jī)制
? 對封裝和接合可靠性的挑戰(zhàn)
要設(shè)計出能夠在高溫下工作的 IC，了解高溫下面臨的挑戰(zhàn)至關(guān)重要。下文將探討 IC 設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)。
1.泄漏電流增加
CMOS 電路中泄漏電流的增加主要是由半導(dǎo)體 PN 結(jié)泄漏和亞閾值溝道泄漏的增加引起的。
?反向偏置 PN 結(jié)泄漏
在較高溫度下，半導(dǎo)體中熱能的增加會導(dǎo)致更多電子 - 空穴對的產(chǎn)生，從而產(chǎn)生更高的泄露電流。結(jié)泄漏取決于摻雜水平，通常隨溫度呈指數(shù)增長。根據(jù)廣泛使用的經(jīng)驗法則，溫度每升高 10℃，結(jié)電流大約增加一倍。
二極管的泄漏電流由漂移電流和擴(kuò)散電流組成：
其中， q 為電子的基本電荷， Aj 為結(jié)面積，ni 為本征載流子濃度，W 為耗盡區(qū)寬度，τ 為有效少數(shù)載流子壽命，L 為擴(kuò)散長度，N 為中性區(qū)摻雜密度。
在中等溫度下，泄漏電流主要由耗盡區(qū)中電子 - 空穴對產(chǎn)生的熱引起。在高溫下，泄漏電流主要由中性區(qū)產(chǎn)生的少數(shù)載流子引起。漂移電流與耗盡區(qū)寬度成正比，這意味著它與結(jié)電壓的平方根成正比（在正常反向電壓下），而擴(kuò)散電流與結(jié)電壓無關(guān)，并且與摻雜密度 N 成反比。摻雜水平越高，在溫度高于約 150°C 時擴(kuò)散泄漏越少。
泄漏電流的指數(shù)增加影響了大多數(shù)主動器件（如雙極晶體管、MOS 晶體管、二極管）和一些被動器件（如擴(kuò)散電容、電阻）。然而，由氧化物隔離的器件，例如多晶硅電阻、多晶硅二極管、ploy-poly 電容和 metal-metal 電容，并不受結(jié)泄漏的影響。結(jié)泄漏被認(rèn)為是高溫 bulk CMOS 電路中最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
?亞閾值溝道泄漏
MOS 晶體管關(guān)閉時，柵極 - 源極電壓 VGS 通常設(shè)置為零。由于漏極至源極電壓 VDS 非零，因此漏極和源極之間會有小電流流過。當(dāng) Vgs 低于閾值電壓 Vt 時，即在亞閾值或弱反型區(qū)，就會發(fā)生亞閾值泄漏。該區(qū)域的漏極源極電流并不為零，而是與 Vgs 呈指數(shù)關(guān)系，主要原因是少數(shù)載流子的擴(kuò)散。
該電流在很大程度上取決于溫度、工藝、晶體管尺寸和類型。短溝道晶體管的電流會增大，閾值電壓較高的晶體管的電流會減小。亞閾值斜率因子 S 描述了晶體管從關(guān)斷（低電流）切換到導(dǎo)通（高電流）的有效程度，定義為使漏極電流變化十倍所需改變的 VGS 的變化量：
其中，n 是亞閾值斜率系數(shù)（通常約為 1.5）。對于 n = 1，斜率因子為 60mV/10 倍，這意味著每低于閾值電壓 Vt 60mV，漏極電流就會減少十倍。典型的 n = 1.5 意味著電流下降速度較慢，為 90mV/10 倍。為了能夠有效地關(guān)閉 MOS 晶體管并減少亞閾值泄漏，柵極電壓必須降到足夠低于閾值電壓的水平。
?柵極氧化層隧穿泄露
對于極薄的柵極氧化層（厚度低于約 3 納米），必須考慮隧穿泄漏電流的影響。這種電流與溫度有關(guān)，由多種機(jī)制引發(fā)。Fowler-Nordheim 遂穿是在高電場作用下，電子通過氧化層形成的三角形勢壘時產(chǎn)生。隨著有效勢壘高度降低，隧道電流隨溫度升高而增大。較高的溫度也會增強(qiáng) trap-assisted 隧穿現(xiàn)象，即電子借助氧化層中的中間陷阱態(tài)通過。對于超薄氧化層，直接隧穿變得顯著，由于電子熱能的增加，隧穿概率也隨之上升。
2.閾值電壓降低
MOS 晶體管的閾值電壓 Vt 與溫度密切相關(guān)，通常隨著溫度的升高而線性降低。這是由于本征載流子濃度增加、半導(dǎo)體禁帶變窄、半導(dǎo)體 - 氧化物界面的表面電位的變化以及載流子遷移率降低等因素造成的。溫度升高導(dǎo)致的閾值電壓降低會引起亞閾值漏電流呈指數(shù)增長。
3.載流子遷移率下降
載流子遷移率直接影響 MOS 晶體管的性能，其受晶格散射與雜質(zhì)散射的影響。溫度升高時，晶格振動（聲子）加劇，導(dǎo)致電荷載流子的散射更加頻繁，遷移率隨之下降。此外，高溫還會增加本征載流子濃度，引發(fā)更多的載流子 - 載流子散射，進(jìn)一步降低遷移率。當(dāng)溫度從 25°C 升高到 200°C 時，載流子遷移率大約會減半。
載流子遷移率顯著影響多個關(guān)鍵的 MOS 參數(shù)。載流子遷移率的下降會降低驅(qū)動電流，減少晶體管的開關(guān)速度和整體性能。更高的導(dǎo)通電阻會增加功率損耗并降低效率。較低的遷移率還會降低跨導(dǎo)，使亞閾值斜率變緩（增加亞閾值泄漏），降低載流子飽和速度（對于短溝道器件至關(guān)重要），并間接影響閾值電壓。
4.提高閂鎖效應(yīng)敏感性
集成電路中各個二極管、晶體管和其他元件之間的隔離是通過反向偏置 P-N 結(jié)來實現(xiàn)的。在電路開發(fā)過程中，需采取預(yù)防措施以確保這些結(jié)在預(yù)期應(yīng)用條件下始終可靠阻斷。這些 P-N 結(jié)與其他相鄰結(jié)形成 N-P-N 和 P-N-P 結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生寄生 NPN 或 PNP 晶體管，這些晶體管可能會被意外激活。
當(dāng)寄生 PNP 和 NPN 雙極晶體管相互作用，在電源軌和接地之間形成低阻抗路徑時，CMOS IC 中就會出現(xiàn)閂鎖效應(yīng)（Latch-up）。這會形成一個具有正反饋的可控硅整流器（SCR），導(dǎo)致過大的電流流動，并可能造成永久性器件損壞。圖 1 顯示了標(biāo)準(zhǔn) CMOS 逆變器的布局截面圖。圖中還包含寄生 NPN 和 PNP 晶體管。正常工作時，所有結(jié)均為反向偏置。
圖 1. 帶標(biāo)記的寄生雙極晶體管逆變器截面圖和寄生雙極晶體管示意圖
閂鎖效應(yīng)的激活主要取決于寄生 NPN 和 PNP 晶體管的 β 值，以及 N - 阱、P - 阱和襯底電阻。隨著溫度的升高，雙極晶體管的直流電流增益（β）以及阱和襯底的電阻也會增加。
在高溫條件下，閂鎖效應(yīng)靈敏度的增加也可以視為雙極結(jié)型晶體管（BJT）閾值電壓的降低，從而更容易在阱和襯底電阻上產(chǎn)生足以激活寄生雙極晶體管的壓降?；鶚O - 發(fā)射極電壓隨溫度變化降低的幅度約為 -2mV/℃，當(dāng)溫度從 25℃升至 200℃時，基極 - 發(fā)射極電壓降低 350mV。室溫下的典型閾值電壓為 0.7V，這意味著閾值電壓大約減半。
5.加速損耗機(jī)制
Arrhenius 定律在可靠性工程中被廣泛用于模擬溫度對材料和元器件失效率的影響。
其中，R( T) 是速率常數(shù)，Ea 是活化能，k 是玻爾茲曼常數(shù)（8.617 · 10?5eV/K），T 為絕對溫度（單位：開爾文）。通常，每升高10°C可靠性就會降低一半。
?經(jīng)時擊穿-TDDB
TDDB 是電子器件中的一種失效機(jī)制，其中介電材料（例如 MOS 晶體管中的柵氧化層）由于長時間暴露于電場下而隨時間退化，導(dǎo)致泄漏電流增加。當(dāng)電壓促使高能電子流動時，在氧化層內(nèi)部形成導(dǎo)電路徑，同時產(chǎn)生陷阱和缺陷。當(dāng)這些導(dǎo)電路徑在氧化層中造成短路時，介電層就會失效。失效時間 TF 隨著溫度的升高而呈指數(shù)級減少。
?負(fù) / 正偏置溫度不穩(wěn)定性 - NBTI / PBTI
NBTI 影響以負(fù)柵極 - 源極電壓工作的 p 溝道 MOS 器件，而 PBTI 則影響處于積累區(qū)的 NMOS 晶體管。在柵極偏壓下，缺陷和陷阱會增加，導(dǎo)致閾值電壓升高，漏極電流和跨導(dǎo)減少。這種退化顯示出對數(shù)時間依賴性和指數(shù)溫度上升，在高于 125°C 時有部分恢復(fù)。
?電遷移
電遷移是指導(dǎo)體中的金屬原子因電流流動而逐漸移位，形成空隙和小丘。因此，如果金屬線中形成的空隙大到足以切斷金屬線，就會導(dǎo)致開路；如果這些凸起延伸得足夠長以至于在受影響的金屬與相鄰的另一金屬之間形成橋接，則可能導(dǎo)致短路。電遷移會隨著電流密度和溫度的升高而加快，尤其是在空隙形成后，會導(dǎo)致電流擁擠和局部發(fā)熱。金屬線發(fā)生故障的概率與溫度成指數(shù)關(guān)系，與電流密度成平方關(guān)系，與導(dǎo)線長度成線性關(guān)系。銅互連器件可承受的電流密度約為鋁的五倍，同時可靠性相似。
?熱載流子退化
當(dāng)溝道電子在 MOS 晶體管漏極附近的高電場中加速，會發(fā)生熱載流子退化。在柵極氧化層中產(chǎn)生界面態(tài)、陷阱或空穴。它影響諸如閾值電壓 VT、電流增益 β、導(dǎo)通電阻 RDS_ON 和亞閾值泄漏等參數(shù)。在較高溫度下，平均自由程減少，降低了載流子獲得的能量，使得熱載流子退化在低溫條件下更為顯著。
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