芯片失效机理之闩锁效应

‌闩锁效应（Latch-up）是‌CMOS工艺中一种寄生效应，通常发生在CMOS电路中，当输入电流过大时，内部电流急剧增加，可能导致电路失效甚至烧毁芯片，造成芯片不可逆的损伤。

闩锁效应产生的主要原因

■ 寄生双极型晶体管的形成‌：

在CMOS工艺中，‌NMOS和‌PMOS晶体管之间的寄生‌PNP和‌NPN双极型晶体管可能被激活，导致‌正反馈环路形成，从而引发闩锁效应。 

■ 外部输入信号的过压和过流‌： 

在芯片的某些工作条件下出现了过压或过流后激发了闩锁，这种闩锁导致电路中的正反馈环路，导致过流持续存在。

■芯片工作的环境温度或自身的工作温度变高 ‌：

芯片在高温环境下会出现漏电增大，当达到一定条件后就会激发闩锁效应，一起寄生的PNP管的产生。

■ 芯片自身的极限电流和电压条件下的工作：

芯片在超负荷的情况下会引起芯片结温快速上升，内阻下降后引起电流持续增加，如果内部没有限流抑制电流就会容易产生闩锁效应。

闩锁效应防御措施

■ 使用‌Guard ring‌：

在NMOS周围使用P+ ring环绕并接地，在PMOS周围使用N+ ring环绕并接VDD，以降低电阻值并阻止载流子到达BJT的基极。

‌■ 优化电路设计‌：

确保NMOS和PMOS之间保持足够的距离，以减少触发寄生双极型晶体管的可能性，合理分配电源和地线，降低电源噪声，减少信号交叉耦合等。

■ 引入保护电路：

在设计电路的过程中，可以引入一些防护电路来提高电路的可靠性，增加稳压电路，加强电源滤波电路等。

■ 增加保护二极管：

保护二极管的电路会使得限制输入和输出电压，在电路超电压的情况下会提高额外的保护机制。

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闩锁效应的失效分析

失效分析会分为两种情况：可恢复的闩锁失效和不可恢复的闩锁失效。

可恢复的闩锁失效分析：

在激发闩锁的过程中需要保持电源不能断电的情况下做热点定位，选用InGaAs的定位工具进行定位，确认闩锁激发后的位置。

不可恢复的闩锁失效分析：

这种情况是直接导致芯片烧毁短路，如果开盖后表面看不到异常就可以进行热点定位，逐层去层就能看到闩锁导致的烧伤位置。

闩锁失效的特点，会横跨两个器件或多个器件的串联烧伤，并且这种烧伤的面积和严重程度是非常大的。如下图，供大家参考。

季丰电子

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