CMOS模拟开关的失效分析使用可靠性

1、CMOS模拟开关的失效分析及使用可靠性 田耀亭 西安微电子技术研究所（西安710054） 1概述 随着CMOS模拟开关的广泛应用，由于使用不当引起失效的电路数量越来越多。从我们多年来失效分析的经验看，CMOS模拟开关的失效分析有一定的规律可循。同时，由于其线路和工艺的特点，使其存在特殊的使用可靠性问题，近年的失效分析统计结果表明，由于使用不当造成电路失效的数量占绝大多数。本文在对其线路特点分析的基础上，结合多年失效分析的经验，归纳出了CMOS模拟开关的失效分析方法，并针对CMOS模拟开关的使用可靠性问题提出了建议。 2CMOS模拟开关的失效分析方法 从线路上分析，CMOS模拟开关可分为控制部分

2、和开关部分。为克服闩锁效应，工艺上大都采用了介质隔离工艺。但不管什么工艺，都可根据其特点，通过一定的分析检测，准确地断定失效部位，进而断定失效模式并研究其失效机理。 2.1能测试及初步判断 可直接根据电路的真值表测试其功能，并测量各个开关的导通电阻。从而确定是控制部分、电源系统还是某一路开关部分异常。 如果是某一路开关失效，可以用万用表直接测量其开关两端的电位。对正常开关来说，在未加传输信号的情况下，其两端电位都应接近0V，但如果开关管的PN结已发生击穿或受到损伤，往往某一端呈现一定的电位。据此电位可以判定传输门的N管或P管与VDD或VSS间存在漏电通道。 2.2管腿间电特性测试 从失效分析统

3、计结果看，CMOS模拟开关失效部位多发生在传输门部分，图1为输出级传输门部分的线路图，图2为其等效线路图。可以看到，通过分别测试开关两端S、D对VDD和VSS间的PN结特性即可判定传输门P管和N管源、漏PN结的好坏，从而进一步确定失效部位。 2.3显微检查分析 观察电路中是否存在烧毁，或传输门的P管及N管源（或漏）栅间是否存在击穿白道，从而进一步确认前面的判断。对击穿痕迹很小的情况，可借助SEM进行观察分析。图1输出级局部线路图图2传输门等效线路图解2.4微探针分析 对于受损伤较轻的PN结（如累积性静电损伤或较小能量的电浪涌损伤），其表面观察不到击穿痕迹，可以用超声探针切断待测管子与周围的电连

4、接，单独测试其源、漏结及栅介质是否穿通。 根据以上各步分析,一般都可以准确地定位失效部位,并确定失效模式。 3CMOS模拟开关使用可靠性问题的几点建议 3.1避免过压损伤失效 由图1可以看到，如果在S或D端施加的电压超过VDD或VSS，其源（或漏）衬底间的PN结就会正向导通，虽然电路内部已设计了限流电阻，但传输端施加电压较大时仍会形成较大的电流造成开关损坏。 另外，从传输门的NMOS管结构上分析，其源、漏区与P衬底间形成一个寄生的NPN三极管，如果在开关一端施加一个负电压，而另一端接正电压，此寄生管会处于导通放大状态，产生较大的电流并导致开关损伤。因此，使用中开关外端最好串接一个200的限流电

5、阻或电流限制器件（如运放输出端），同时，应避免开关端接负电压信号。 3.2注意静电放电损伤问题 由于保护电路对CMOS模拟开关的导通电阻及功耗电流等参数有影响，因此一般开关两端不加保护（Address端有保护）。由图1可以看到，如果开关端受到电浪涌或过高电压，同样可以施加到传输门的栅极氧化层上。我们曾多次做过CMOS模拟开关ESDS试验，某进口模拟开关，其电路ESDS在1000V以下，而另一种国内生产的模拟开关其ESDS小于500V。这两种电路在使用中就经常因静电损伤而失效。因此，建议应对所使用的模拟开关做ESDS摸底试验，避免使用ESDS较低的电路。此外，应严格实施静电防护措施。 3.3重视模拟开关的烧毁问题 由于其内部工艺结构的原因，它比一般CMOS电路更易发生闩锁，造成电路烧毁。介质隔离的CMOS模拟开关虽避免了闩锁效应，但如果它所传输的信号过大或电源波动较大，同样会引起电路烧毁。在我们所分析的失效电路中，烧毁的情况占很大的比例，也应引起使用者重视。 4结论 对于CMOS模拟开关