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《半導(dǎo)體器件的失效機(jī)理和模型》將針對(duì)硅基半導(dǎo)體器件常見的失效機(jī)理展開研究。這些失效機(jī)理大致按照從硅到封裝器件的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行了分類：前段制程（FEoL）、后段制程（BEoL）和封裝/界面失效機(jī)理。

注：失效機(jī)理研究只包括那些業(yè)界相對(duì)成熟，同時(shí)還包括這些失效機(jī)理的模型研究現(xiàn)狀。內(nèi)容主要來源為國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的翻譯整理，供大家學(xué)習(xí)參考。

一圖看懂什么是FEoL，什么是BEoL，圖片來源于勝科納米宣傳資料

 

各階段常見的典型失效機(jī)理

 

前段制程（FEoL）常見的失效機(jī)理

1）與時(shí)間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）-- 柵極氧化物

2）熱載流子注入（HCI）

3）負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性（NBTI）

4）表面反轉(zhuǎn)（移動(dòng)離子）

5）浮柵非易失性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持

6）局部電荷捕獲非易失性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持

7）相變（PCM）非易失性存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持

后段制程（BEoL）常見的失效機(jī)理

1）與時(shí)間相關(guān)的電介質(zhì)擊穿（TDDB）-- 層間電介質(zhì)/低k值/移動(dòng)銅離子

2）鋁電遷移（Al EM）

3）銅電遷移（Cu EM）

4）鋁和銅腐蝕

5）鋁應(yīng)力遷移（Al SM）

6）銅應(yīng)力遷移（Cu SM）

封裝/界面常見的失效機(jī)理

1）因溫度循環(huán)和熱沖擊導(dǎo)致的疲勞失效

2）因溫度循環(huán)和熱沖擊導(dǎo)致的界面失效

3）因高溫導(dǎo)致的金屬間化合物和氧化失效

4）錫須

5）離子遷移動(dòng)力學(xué)（PCB）--組件清潔度

本文對(duì)FEoL階段的表面反轉(zhuǎn)（mobile ions）失效模式進(jìn)行研究 

 

金屬元素如鋰（Li）、鈉（Na）和鉀（K），有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在半導(dǎo)體加工材料中。在二氧化硅（SiO2）中，在適度的電場(chǎng)（約0.5MV/cm）和溫度（100°C）條件下，這些金屬離子具有很強(qiáng)的遷移性。在Si-SiO2界面處金屬離子的積累會(huì)導(dǎo)致表面反轉(zhuǎn)，使芯片漏電流增加甚至導(dǎo)致芯片故障。 

 

因?yàn)殁c和鉀的遷移率高，且在許多半導(dǎo)體材料中很常見，故這兩種離子通常做為常見的可疑移動(dòng)離子。在偏壓下，它們可以從多晶硅漂移到硅襯底。在Si-SiO2界面處正離子的積累會(huì)使表面反轉(zhuǎn)，并嚴(yán)重降低SiO2的隔離性能。二氧化硅柵極電介質(zhì)中的離子漂移也會(huì)導(dǎo)致發(fā)生TDDB失效。對(duì)于 EPROM 而言，在帶負(fù)電的多晶硅浮柵周圍的移動(dòng)離子積累會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)保留失敗。

 

出現(xiàn)這種由表面反轉(zhuǎn)引起的漏電流增大的故障芯片，在無偏壓的高溫烘烤過程中可以恢復(fù)。烘烤會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)離子重新分布，使其遠(yuǎn)離累積的Si-SiO2界面（對(duì)于類似EPROM的器件，則是遠(yuǎn)離多晶硅浮柵）。

 

移動(dòng)離子擴(kuò)散的活化能取決于幾個(gè)因素：

 

1）擴(kuò)散物質(zhì)

 

2）移動(dòng)離子擴(kuò)散所通過的介質(zhì)

 

3）污染物的濃度

 

通常，SiO2（及其界面）中移動(dòng)離子擴(kuò)散的活化能在0.75 ~1.8eV這個(gè)范圍。參考文獻(xiàn)[1]被認(rèn)為在比較可靠的活化能參考，其根據(jù)基本物理參數(shù)計(jì)算了25種不同物質(zhì)的活化能，而且活化能值在后續(xù)的研究得到了證實(shí)。

 

mobile ions退化模型受電場(chǎng)和溫度的影響。故其失效時(shí)間可參考埃林模型：

 

 

對(duì)于以漂移為主的故障（即恢復(fù)部分較?。?，失效時(shí)間方程簡(jiǎn)化為：

 

 

Mobile ions模式壽命預(yù)估示例：

目標(biāo)：

計(jì)算加速因子（AF），即AF=TTFuse/TTFaccel

假設(shè)條件：

1）正常使用條件為：50°C芯片溫度和VG=3.3V

2）加速條件為：150°C和VG=5.0V

3）表觀活化能Eaa：0.75eV（以Na+漂移為主的故障）

AF計(jì)算公式：

 

AF=(Tuse/Taccel)(VG,accel/VG,use)*exp[(Eaa/k)(1/Tuse–1/Taccel)]

 

假設(shè)條件代入計(jì)算：

 

AF=((273+50)K/(273+150)K)(5.0V/3.3V)*exp[(0.75eV/8.62x10–5eV/K)(1/(273+50)K–1/(273+150)K)]=[0.7636*1.515]*583.0=~675

結(jié)論：從加速應(yīng)力條件轉(zhuǎn)變到正常使用條件，TTF值將增加到加速應(yīng)力值的 675倍。在這個(gè)總加速因子中，約 1.16 倍是由于移動(dòng)離子通量，而約 583 倍是由于溫度。

 

參考文獻(xiàn)：

1）Stuart, D., “Calculations of Activation Energy of Ionic Conductivity in Silica Glass by Classical Methods,” Journal of the American Ceramic Society, Vol. 37, Issue 12, 1954, pp. 573-580.