齐纳二极管早期失效对芯片可靠性的影响分析

黄炜，邹奇峰

（中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆 400060）

0 引言

齐纳二极管常用于模拟集成电路基准结构设计中，作为稳压器件，其击穿电压的稳定性是否良好直接影响产品的功能[1]。

经历一定时间、一定温度应力的老炼试验后，齐纳二极管将出现早期失效情况[2]，但由于晶圆级电参数测试时未进行老炼，因此无法体现出故障现象。

经过试验验证[3]，在齐纳二极管老化过程中，经过短时间如24 h上电老化后，其击穿电压将出现较大的正向漂移，随着高温上电老化时间继续延长如134 h，则原本失效的齐纳二极管的击穿电压将会出现回漂现象，并逐渐恢复最初的击穿电压。该过程所需的时间与老化温度相关。

由于集成电路老炼时间为168 h，因此老炼后测试过程中，无法发现齐纳二极管漂移情况，但实际使用产品在一定的上电时间后，将表现出参数漂移，引起产品失效。

本文选取齐纳二极管早期失效案例，对其漂移特性进行分析，分析齐纳二极管早期失效对芯片可靠性的影响。

1 失效案例

某款芯片产品在组件上老炼（Tc=125℃，24 h）后最高工作电压由25 V降低至19 V左右，叠加温度循环（-40～85℃，10次）试验后，产品工作电压进一步地降低至约10 V，低于组件给该芯片产品的供电电压12 V，产品表现出无输出。

1.1 故障定位

该芯片为一款电流型PWM控制器芯片，内部主要包括：5 V基准电压源、振荡器、误差放大器、过流检测电压比较器、PWM锁存器、欠压锁定电路、基准好逻辑、门电路、输出级和34 V稳压管等部分，其功能框图如图1所示。

图1 故障芯片功能框图

上电后，通过内部偏置电路，启动内部各个支路，当VCC高于欠压锁定电路的开启阈值后，内部基准源电路正常工作，提供5 V的基准电压，为内部振荡器、过流检测电压比较器和PWM锁存器等电路供电。当基准电压达到5 V后，内部基准好逻辑判定基准电压正常，使能输出级可以正常输出波形，产生MOS管的驱动输出脉冲，电路正常工作。

通过外置基准电压测试的方式，发现人为提升故障产品5 V基准电压，提升至约5.2 V时，芯片功能将恢复正常。

该芯片基准处结构如图2所示，其基准输出电压为齐纳二极管产生的VA电压与5 V基准电压比较的结果，正常情况VA设计电压值为4.3 V，低于5 V基准电压，此时输出正常[4]；随着VA电压的提升，当其升至高于5 V时，比较结果恒高，关断输出，输出恒低，此时人为提升5 V基准电压，比较结果将恢复正常。表明齐纳二极管基准电压已出现漂移。

图2 芯片基准逻辑图

另调整故障芯片VCC电压值，发现VA电压随之变化，如表1所示，表明齐纳二极管已失去其稳压作用。

表1 V A随V CC变化情况单位：V

同时，为了定位故障产品齐纳二极管损伤原因，对其进行FIB切面、SEM分析，未发现齐纳二极管处应力损伤痕迹，如图3所示，表明老炼、温度循环试验后齐纳二极管参数漂移为其早期失效固有特性，非外部应力损伤导致。

图3 齐纳二极管处FIB后SEM形貌

因此故障定位于齐纳二极管自身老炼、温度循环试验后VA稳压电压升高，超过5 V基准电压，芯片基准逻辑部分工作异常，导致输出关断。

1.2 试验验证

结合故障产品经历，发现同批次样品经历较高温度较长时间的老炼试验（TC=135℃，168 h）后，输出功能正常，未表现出齐纳二极管参数漂移现象。为了验证齐纳二极管早期失效条件及其对芯片可靠性的影响，选取与故障芯片同状态的样品，进行环境温度为25、55、75、105、125、135、150℃，不同时间的老炼及温度循环试验。

试验结果显示：25、125、135、150℃老炼试验后，齐纳二极管击穿电压无明显的变化；55、75、105℃老炼后，产品VA电压出现明显的变化，老炼后叠加温循试验VA电压参数变化加剧，表明齐纳二极管击穿电压漂移越大，具体的试验结果如图4-6所示。

图4 电灼伤电流网络的输入阻抗计算结果

图5 感知电流、反应电流网络的输入阻抗计算结果

图6 摆脱电流网络的输入阻抗计算结果

2 故障机理及整改方案

该芯片齐纳二极管选择EB结二极管制作，齐纳二极管击穿电压漂移现象与半导体表面可动电荷有关，可动电荷在高温及偏压条件同时具备的情况下移动到半导体表面，对表面p-n结耗尽层宽度起到调制作用并引起势垒的变化，抵消了一部分引起齐纳击穿的外加电压[5]，并最终体现为击穿电压的漂移。当垂直于半导体表面的电场大到足以使P型半导体表面反型层中电子具备足以激发并进入半导体表面氧化层时，附加电场逐渐被抵消，使齐纳二极管击穿电压发生回漂。

因此在一定温度下，经过一定时间的老炼试验后，齐纳二极管表现出早期失效，击穿电压漂移，但随着老炼时间的增加或老炼温度的提升，该漂移现象逐步消失，产品恢复正常。

针对齐纳二极管的该种特性，为了避免产品使用过程中早期失效，可在元器件筛选时提升老炼温度或时间，有助于齐纳二极管击穿电压回漂，提升产品的使用可靠性[6]。

3 结束语

在温度和电应力的作用下，齐纳二极管的基区表面浓度易受氧化层表面正电荷的影响，PN结表面空间电荷区宽度变宽，反向击穿电压漂移量增大。该种特性将影响产品的功能及可靠性。

工艺上提出将齐纳二极管的击穿点从表面移至器件内部可以避免可动正电荷的移动对齐纳二极管表面击穿点的影响，被称为次表面齐纳二极管，即在P型基区注入后加一步P+注入，目的是为了使齐纳二极管的击穿点引入到N+下方，即P型最浓的半导体体内，可以解决齐纳二极管参数漂移问题。