【導讀】在商業
、工業及汽車電子領域，高溫環境對集成電路的性能、可靠性和安全性構成嚴峻挑戰。隨著應用場景向極端溫度條件延伸，高結溫引發的漏電增加、壽(shou)命(ming)衰(shuai)減(jian)等(deng)問(wen)題(ti)日(ri)益(yi)凸(tu)顯(xian)，亟(ji)需(xu)通(tong)過(guo)創(chuang)新(xin)設(she)計(ji)技(ji)術(shu)突(tu)破(po)技(ji)術(shu)瓶(ping)頸(jing)。本(ben)文(wen)將(jiang)解(jie)析(xi)高(gao)溫(wen)對(dui)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)的(de)深(shen)層(ceng)影(ying)響(xiang)，揭(jie)示(shi)高(gao)結(jie)溫(wen)帶(dai)來(lai)的(de)五(wu)大(da)核(he)心(xin)挑(tiao)戰(zhan)，並(bing)探(tan)討(tao)針(zhen)對(dui)性(xing)的(de)高(gao)功(gong)率(lv)設(she)計(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。

在商業、工業及汽車電子領域，高溫環境對集成電路的性能、可靠性和安全性構成嚴峻挑戰。隨著應用場景向極端溫度條件延伸
，高結溫引發的漏電增加
、壽(shou)命(ming)衰(shuai)減(jian)等(deng)問(wen)題(ti)日(ri)益(yi)凸(tu)顯(xian)
，亟(ji)需(xu)通(tong)過(guo)創(chuang)新(xin)設(she)計(ji)技(ji)術(shu)突(tu)破(po)技(ji)術(shu)瓶(ping)頸(jing)。本(ben)文(wen)將(jiang)解(jie)析(xi)高(gao)溫(wen)對(dui)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)的(de)深(shen)層(ceng)影(ying)響(xiang)，揭(jie)示(shi)高(gao)結(jie)溫(wen)帶(dai)來(lai)的(de)五(wu)大(da)核(he)心(xin)挑(tiao)戰(zhan)
，並(bing)探(tan)討(tao)針(zhen)對(dui)性(xing)的(de)高(gao)功(gong)率(lv)設(she)計(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。

高結溫帶來的挑戰

bandaotiqijianzaijiaogaowenduxiagongzuohuijiangdidianluxingneng，suoduanshiyongshouming。duiyuguijibandaotieryan，jingtiguancanshuhuisuizhewendudeshenggaoerxiajiang


，youyubenzhengzailiuzimidudeyingxiang
，zuigaojixianhuidiyu 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挑戰包括：

Ø 泄漏電流增加

Ø MOS 晶體管閾值電壓降低

Ø 載流子遷移率降低

Ø 提高閂鎖效應（Latch-Up）敏感性

Ø 加速損耗機製

Ø 對封裝和接合可靠性的挑戰

要設計出能夠在高溫下工作的 IC，了解高溫下麵臨的挑戰至關重要。下文將探討 IC 設計麵臨的挑戰。

1.泄漏電流增加

CMOS 電路中泄漏電流的增加主要是由半導體 PN 結泄漏和亞閾值溝道泄漏的增加引起的。

▷反向偏置 PN 結泄漏

在較高溫度下
，半導體中熱能的增加會導致更多電子 - 空穴對的產生，從而產生更高的泄露電流。結泄漏取決於摻雜水平，通常隨溫度呈指數增長。根據廣泛使用的經驗法則
，溫度每升高 10℃
，結電流大約增加一倍。

二極管的泄漏電流由漂移電流和擴散電流組成：

其中， q 為電子的基本電荷， Aj 為結麵積
，ni 為本征載流子濃度，W 為耗盡區寬度，τ 為有效少數載流子壽命，L 為擴散長度，N 為中性區摻雜密度。

在中等溫度下，泄漏電流主要由耗盡區中電子 - kongxueduichanshengdereyinqi。zaigaowenxia，xieloudianliuzhuyaoyouzhongxingquchanshengdeshaoshuzailiuziyinqi。piaoyidianliuyuhaojinqukuanduchengzhengbi

，zheyiweizhetayujiedianyadepingfanggenchengzhengbi（在正常反向電壓下），而擴散電流與結電壓無關，並且與摻雜密度 N 成反比。摻雜水平越高，在溫度高於約 150°C 時擴散泄漏越少。

泄漏電流的指數增加影響了大多數主動器件（如雙極晶體管、MOS 晶體管
、二極管）和一些被動器件（如擴散電容、電阻）。然而，由氧化物隔離的器件
，例如多晶矽電阻、多晶矽二極管、ploy-poly 電容和 metal-metal 電容，並不受結泄漏的影響。結泄漏被認為是高溫 bulk CMOS 電路中最嚴峻的挑戰。

▷亞閾值溝道泄漏

MOS 晶體管關閉時，柵極 - 源極電壓 VGS 通常設置為零。由於漏極至源極電壓 VDS 非零，因此漏極和源極之間會有小電流流過。當 Vgs 低於閾值電壓 Vt 時，即在亞閾值或弱反型區，就會發生亞閾值泄漏。該區域的漏極源極電流並不為零，而是與 Vgs 呈指數關係

，主要原因是少數載流子的擴散。

該電流在很大程度上取決於溫度、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 描述了晶體管從關斷（低電流）切換到導通（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 是亞閾值斜率係數（通常約為 1.5）。對於 n = 1，斜率因子為 60mV/10 倍，這意味著每低於閾值電壓 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。為了能夠有效地關閉 MOS 晶體管並減少亞閾值泄漏，柵極電壓必須降到足夠低於閾值電壓的水平。

▷柵極氧化層隧穿泄露

對於極薄的柵極氧化層（厚度低於約 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，由多種機製引發。Fowler-Nordheim 遂sui穿chuan是shi在zai高gao電dian場chang作zuo用yong下xia，電dian子zi通tong過guo氧yang化hua層ceng形xing成cheng的de三san角jiao形xing勢shi壘lei時shi產chan生sheng。隨sui著zhe有you效xiao勢shi壘lei高gao度du降jiang低di
，隧sui道dao電dian流liu隨sui溫wen度du升sheng高gao而er增zeng大da。較jiao高gao的de溫wen度du也ye會hui增zeng強qiang trap-assisted 隧(sui)穿(chuan)現(xian)象(xiang)，即(ji)電(dian)子(zi)借(jie)助(zhu)氧(yang)化(hua)層(ceng)中(zhong)的(de)中(zhong)間(jian)陷(xian)阱(jing)態(tai)通(tong)過(guo)。對(dui)於(yu)超(chao)薄(bo)氧(yang)化(hua)層(ceng)，直(zhi)接(jie)隧(sui)穿(chuan)變(bian)得(de)顯(xian)著(zhu)


，由(you)於(yu)電(dian)子(zi)熱(re)能(neng)的(de)增(zeng)加(jia)，隧(sui)穿(chuan)概(gai)率(lv)也(ye)隨(sui)之(zhi)上(shang)升(sheng)。

2.閾值電壓降低

MOS 晶體管的閾值電壓 Vt 與溫度密切相關
，通常隨著溫度的升高而線性降低。這是由於本征載流子濃度增加、半導體禁帶變窄、半導體 - 氧化物界麵的表麵電位的變化以及載流子遷移率降低等因素造成的。溫度升高導致的閾值電壓降低會引起亞閾值漏電流呈指數增長。

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散射的影響。溫度升高時，晶格振動（聲子）加劇，導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
，引發更多的載流子 - 載流子散射，進一步降低遷移率。當溫度從 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鍵的 MOS 參can數shu。載zai流liu子zi遷qian移yi率lv的de下xia降jiang會hui降jiang低di驅qu動dong電dian流liu
，減jian少shao晶jing體ti管guan的de開kai關guan速su度du和he整zheng體ti性xing能neng。更geng高gao的de導dao通tong電dian阻zu會hui增zeng加jia功gong率lv損sun耗hao並bing降jiang低di效xiao率lv。較jiao低di的de遷qian移yi率lv還hai會hui降jiang低di跨kua導dao
，使shi亞ya閾yu值zhi斜xie率lv變bian緩huan（增加亞閾值泄漏），降低載流子飽和速度（對於短溝道器件至關重要），並間接影響閾值電壓。

4.提高閂鎖效應敏感性

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 結來實現的。在電路開發過程中，需采取預防措施以確保這些結在預期應用條件下始終可靠阻斷。這些 P-N 結與其他相鄰結形成 N-P-N 和 P-N-P 結構，從而產生寄生 NPN 或 PNP 晶體管
，這些晶體管可能會被意外激活。

當寄生 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 中就會出現閂鎖效應（Latch-up）。這會形成一個具有正反饋的可控矽整流器（SCR）
，導致過大的電流流動
，並可能造成永久性器件損壞。圖 1 顯示了標準 CMOS 逆變器的布局截麵圖。圖中還包含寄生 NPN 和 PNP 晶體管。正常工作時
，所有結均為反向偏置。

圖 1. 帶標記的寄生雙極晶體管逆變器截麵圖和寄生雙極晶體管示意圖

閂鎖效應的激活主要取決於寄生 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，閂鎖效應靈敏度的增加也可以視為雙極結型晶體管（BJT）閾值電壓的降低
，從而更容易在阱和襯底電阻上產生足以激活寄生雙極晶體管的壓降。基極 - 發射極電壓隨溫度變化降低的幅度約為 -2mV/℃
，當溫度從 25℃升至 200℃時，基極 - 發射極電壓降低 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.加速損耗機製

Arrhenius 定律在可靠性工程中被廣泛用於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，Ea 是活化能，k 是玻爾茲曼常數（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。

▷經時擊穿-TDDB

TDDB 是電子器件中的一種失效機製，其中介電材料（例如 MOS 晶體管中的柵氧化層）由(you)於(yu)長(chang)時(shi)間(jian)暴(bao)露(lu)於(yu)電(dian)場(chang)下(xia)而(er)隨(sui)時(shi)間(jian)退(tui)化(hua)
，導(dao)致(zhi)泄(xie)漏(lou)電(dian)流(liu)增(zeng)加(jia)。當(dang)電(dian)壓(ya)促(cu)使(shi)高(gao)能(neng)電(dian)子(zi)流(liu)動(dong)時(shi)，在(zai)氧(yang)化(hua)層(ceng)內(nei)部(bu)形(xing)成(cheng)導(dao)電(dian)路(lu)徑(jing)，同(tong)時(shi)產(chan)生(sheng)陷(xian)阱(jing)和(he)缺(que)陷(xian)。當(dang)這(zhe)些(xie)導(dao)電(dian)路(lu)徑(jing)在(zai)氧(yang)化(hua)層(ceng)中(zhong)造(zao)成(cheng)短(duan)路(lu)時(shi)，介(jie)電(dian)層(ceng)就(jiu)會(hui)失(shi)效(xiao)。失(shi)效(xiao)時(shi)間(jian) TF 隨著溫度的升高而呈指數級減少。

▷負 / 正偏置溫度不穩定性 - NBTI / PBTI

NBTI 影響以負柵極 - 源極電壓工作的 p 溝道 MOS 器件，而 PBTI 則影響處於積累區的 NMOS 晶jing體ti管guan。在zai柵zha極ji偏pian壓ya下xia

，缺que陷xian和he陷xian阱jing會hui增zeng加jia
，導dao致zhi閾yu值zhi電dian壓ya升sheng高gao，漏lou極ji電dian流liu和he跨kua導dao減jian少shao。這zhe種zhong退tui化hua顯xian示shi出chu對dui數shu時shi間jian依yi賴lai性xing和he指zhi數shu溫wen度du上shang升sheng，在zai高gao於yu 125°C 時有部分恢複。

▷電遷移

電(dian)遷(qian)移(yi)是(shi)指(zhi)導(dao)體(ti)中(zhong)的(de)金(jin)屬(shu)原(yuan)子(zi)因(yin)電(dian)流(liu)流(liu)動(dong)而(er)逐(zhu)漸(jian)移(yi)位(wei)，形(xing)成(cheng)空(kong)隙(xi)和(he)小(xiao)丘(qiu)。因(yin)此(ci)，如(ru)果(guo)金(jin)屬(shu)線(xian)中(zhong)形(xing)成(cheng)的(de)空(kong)隙(xi)大(da)到(dao)足(zu)以(yi)切(qie)斷(duan)金(jin)屬(shu)線(xian)

，就(jiu)會(hui)導(dao)致(zhi)開(kai)路(lu)
；如ru果guo這zhe些xie凸tu起qi延yan伸shen得de足zu夠gou長chang以yi至zhi於yu在zai受shou影ying響xiang的de金jin屬shu與yu相xiang鄰lin的de另ling一yi金jin屬shu之zhi間jian形xing成cheng橋qiao接jie
，則ze可ke能neng導dao致zhi短duan路lu。電dian遷qian移yi會hui隨sui著zhe電dian流liu密mi度du和he溫wen度du的de升sheng高gao而er加jia快kuai
，尤you其qi是shi在zai空kong隙xi形xing成cheng後hou，會hui導dao致zhi電dian流liu擁yong擠ji和he局ju部bu發fa熱re。金jin屬shu線xian發fa生sheng故gu障zhang的de概gai率lv與yu溫wen度du成cheng指zhi數shu關guan係xi，與yu電dian流liu密mi度du成cheng平ping方fang關guan係xi，與yu導dao線xian長chang度du成cheng線xian性xing關guan係xi。銅tong互hu連lian器qi件jian可ke承cheng受shou的de電dian流liu密mi度du約yue為wei鋁lv的de五wu倍bei
，同tong時shi可ke靠kao性xing相xiang似si。

▷熱載流子退化

當溝道電子在 MOS 晶體管漏極附近的高電場中加速，會發生熱載流子退化。在柵極氧化層中產生界麵態、陷阱或空穴。它影響諸如閾值電壓 VT
、電流增益 β、導通電阻 RDS_ON 和亞閾值泄漏等參數。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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