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MOS 器件及其集成电路的可靠性与失效分析(提要)
作者:Xie M. X. (UESTC,成都市)
影响 MOS 器件及其集成电路可靠性的因素很多,有设计方面的,如材料、器件和工艺
等的选取;有工艺方面的,如物理、化学等工艺的不稳定性;也有使用方面的,如电、热、
机械等的应力和水汽等的侵入等。
从器件和工艺方面来考虑,影响 MOS 集成电路可靠性的主要因素有三个:一是栅极氧
化层性能退化;二是热电子效应;三是电极布线的退化。
由于器件和电路存在有一定失效的可能性,所以为了保证器件和电路能够正常工作一定
的年限(例如,对于集成电路一般要求在 10 年以上),在出厂前就需要进行所谓可靠性评估,
即事先预测出器件或者 IC 的寿命或者失效率。
(1)可靠性评估:
对于各种元器件进行可靠性评估,实际上也就是根据检测到的元器件失效的数据来估算
出元器件的有效使用寿命——能够正常工作的平均时间(MTTF,mean time to failure)的一
种处理过程。
因为对于元器件通过可靠性试验而获得的失效数据,往往遵从某种规律的分布,因此
根据这些数据,由一定的分布规律出发,即可估算出 MTTF 和失效率。
比较符合实际情况、使用最广泛的分布规律有两种,即对数正态分布和 Weibull 分布。
①对数正态分布:
若一个随机变量 x 的对数服从正态分布,则该随机变量 x 就服从对数正态分布;对数正
态分布的概率密度函数为
1
f (x) e(ln x)2 / 2 2
x 2
该分布函数的形式如图 1 所示。
对数正态分布是对数为正态分布的任
意随机变量的概率分布;如果 x 是正态分布
的随机变量,则 exp(x)为对数分布;同样,
如果 y 是对数正态分布,则 log(y)为正态分
布。
②Weibull 分布:
由于 Weibull分布是根据最弱环节模型
或串联模型得到的,能充分反映材料缺陷和
应力集中源对材料疲劳寿命的影响,而且具
有递增的失效率,所以,将它作为材料或零
图 1 对数正态分布
件的寿命分布模型或给定寿命下的疲劳强
度模型是合适的;而且尤其适用于机电类产品的磨损累计失效的分布形式。由于它可以根据
失效概率密度来容易地推断出其分布参数,故被广泛地应用于各种寿命试验的数据处理。与
对数正态分布相比,Weibull 分布具有更大的适用性。
Weibull 分布的失效概率密度函数为
mtmt
f (t) e(t /)m
m : .
相应的累积失效分布函数为
F(t) 1 e(t /)m
式中的 m 为分布的形状参数,为分布的尺寸参数。Weibull 分布的形式如图 2 所示,在 m
<1时为倒 J 字型曲線,在 m=1 时为指数式分布,在 1<m< 时为偏向左边的曲线,在
m≈ 时为正态分布曲线,在 m> 时为偏向右边的曲线。
在这种失效分布的模式下,元器件的失效率(t)和 MTTF 可分别表示为
d ln R(t) f (t) 1
(t)
dt R(t) 1 F (t)
MTTF R(t) dt t f (t) dt
0 0
失效率(t)的常用单位是 FIT(109/小时)或者%/1000 小时。
由于引起器件和集成电路失效的机理不
同,因此就相应地存在各不相同的 MTTF 和失
效率数据。最容易导致失效的就是其中 MTTF
最短的那一种机理。
(2)栅氧化层的性能退化:
MOSFET 的栅极二氧化硅薄膜是决定器件
性能的关键性材料。因为二氧化硅薄膜具有良
好的绝缘性,同时它与 Si 表面接触的表面态密
度又很低,所以最常用作为栅绝缘层。
栅氧化层一般是采用热氧化来制备的,良
图 2 Weibull 分布
好氧化层的漏电流基本上为 0,并且具有较高的
击穿电场强度(击穿电场强度约为 10MV/cm)。但是,实际上发现,在器件和电路工作时,
有时会发生由于栅氧化层的漏电、并导致击穿而引起的失效;产生这种后果的根本原因就是
氧化层在电压作用下性能发生了退化。
①栅氧化层退化的表现~击穿:
在栅极电压作用下,栅氧化层发生退化的主要表现就是击穿。这里存在两种类型的击穿:
一是瞬时击穿(TZDB,Tims Zero Dielectic Breakdown),即是加上电压后就马上发生的击穿
——短路;二是经时击穿(TDDB,Tims Dependent Dielectic Breakdown),即是加上电压后
需要经过一段时间之后才发生的击穿。
MOSFET 和 MOS-IC 的早期失效往往就包括有栅氧化层的 TZDB 现象。
TDDB 的产生与栅氧化层中的电场(~栅电压)有关。实验表明,按照引起击穿电场的
大小,可以把 TDDB 区分为三种不同的模式:①模式A~在较低电场(1MV/cm)时就产生
的击穿;②模式 B~在较高电场(数 MV/cm)时产生的击穿;③模式 C~在很高电场
(>8MV/cm)时才可能产生的击穿。
TDDB 的模式 A 往往是由于氧化层中存在针孔等缺陷的缘故,具有这种模式的早期击
穿的芯片,一般都可通过出厂前的筛选而淘汰掉,故模式 A 击穿将直接影响到芯片的成品
率。由于氧化层中的针孔等缺陷主要是来自于材料和环境的污染、微粒之类的杂质,所以提
高材料和工艺的纯净度对于降低出现模式 A 的几率、增高成品率具有重要的意义。
TDDB 的模式 B 往往是由于氧化层中存在微量的 Na、K 等碱金属和 Fe、Ni 等重金属杂
质的缘故,这些杂质离子在较高电场作用下会发生移动,并且起着陷阱能级的作用。因此,
为了提高模式 B 的击穿,也必须严格保证材料和工艺的纯净度,此外还必须注意晶体表面 : .
缺陷吸附重金属杂质所产生的不良影响(则需要关注衬底的结晶控制技术)。
TDDB 的模式 C 击穿电压很高,接近二氧化硅的固有击穿特性,这是由于氧化层中不
存在杂质和缺陷的缘故。
②MOSFET 的寿命评估:
对于带有经时击穿模式 B 的不良芯片,需要经过较长时间的试验才能检测出来,因此
必须事先确立器件寿命的检测和评估方法。
为了保证集成电路能够正常工作若干年(一般要求 10 年以上),就需要在出厂前预测出
器件的寿命——寿命评估;这可以通过 TDDB 试验预测出栅氧化层的寿命来确定器件的寿
命。具体的办法就是采用所谓加速寿命试验,即把许多器件置于强电场(高于 7MV/cm)、
温度为 100 oC 左右的条件下,观测器件的经时失效率;一般,栅氧化层的TDDB 呈现出两
个区域:较快击穿的早期失效区和需要经过很长时间才击穿的磨损失效区(二氧化硅的固有
击穿区)。为了不让器件在出厂后就产生问题,则必须尽量控制器件的早期失效。常常采用
对数正态分布来评估寿命。
对于较厚栅氧化层的器件,发现早期击穿的失效率较高,这说明较厚的二氧化硅中含有
较多的缺陷。
③栅氧化层退化的机理:
栅氧化层出现退化的主要原因是强电场使得栅氧化层产生了漏电、并从而导致的击穿。
a)在强电场作用下,栅氧化层产生漏电往往是一种常见的现象。实际上,当氧化层中
的电场强度大于 6MV/cm 时,即使是非常优质的氧化层,也将会产生由于量子效应所引起
的所谓 F-N(Flowler-Nordheim)型隧道电流。随着器件尺寸的缩小,氧化层厚度也相应地
越来越薄(对于 LSI 而言,一般总是选取栅氧化层厚度为沟道长度的1/50 左右),则氧化层
的这种 F-N 型隧道电流也将越来越显著。例如,对于厚度为10nm 的栅氧化层,在电源电压
为 5V 时,氧化层中的电场就已经大于5MV/cm,所以往往就必须考虑 F-N 型隧道电流以及
所引起的击穿。
b)栅氧化层的不断漏电,就会导致氧化层击穿,这是由于漏电会使得在氧化层中积蓄
起很多电荷(正电荷或者负电荷)的缘故。因为栅氧化层中往往存在许多陷阱(电子陷阱、
空穴陷阱或者中性陷阱),当氧化层有隧道电流通过时,则这些陷阱就会俘获载流子、积蓄
起正电荷或者负电荷,并使得氧化层的局部电场增强;由于电荷积蓄而导致局部电场增强时
的能带图见图 3 的(b)和(c),其中(a)是不存在的和时的能带图。
(a)无电荷 (a)有正电荷 (a)有负电荷
图 3 栅氧化层中有、无电荷积蓄时的能带图
局部的电荷积蓄得越多,电场也就越强。随着时间的推移,当陷阱积蓄有大量电荷、局
部电场足够强时,则最终就将导致 Si-O 价键断裂,即发生永久性的破坏——击穿。
可见,栅氧化层的经时击穿与载流子的穿越氧化层(F-N 隧道电流)有关,也与氧化层
中的陷阱有关。而对经时击穿影响最大的载流子是空穴;因为空穴的迁移率远小于电子迁移 : .
率,则当高能量热电子注入到氧化硅、并出现倍增效应时,倍增出来的空穴即很容易被陷阱
所俘获,则积蓄起正电荷,从而使得局部电场增强;热电子的不断注入和倍增,就会进一步
积蓄正电荷,当这些正电荷形成的局部电场很高时,最终即发生击穿。
为了提高 MOSFET 的经时击穿性能,就应该尽量减少栅氧化层中的陷阱数量。而这些
陷阱来自于多种过程所引入的杂质和缺陷,例如:有在形成氧化硅时出现的氧原子空位,有
存在于氧化硅中的 H 和 OH 基,也有在器件和电路的工艺加工过程中所产生的缺陷(如等
离子体产生的高能粒子射线和二次 X 射线的照射,使得栅氧化层中出现缺陷)。因此,要防
止栅氧化层的退化,就必须消除氧化层中的杂质和缺陷,并且要保持氧化硅-Si 衬底的界面
完整性,以避免局部电场集中。
(3)热载流子效应(Hot carrier Effect,HCE):
1)基本概念:
热载流子就是具有高能量的载流子,即其动能高于平均热运动能量(~kT)的载流子;
因此其运动速度也一定很高。
当载流子从外界获得了很大能量时,即可成为热载流子。例如在强电场作用下,载流子
沿着电场方向不断漂移,不断加速,即可获得很大的动能,从而可成为热载流子。
对于半导体器件,当器件的特征尺寸很小时,即使在不很高的电压下,也可产生很强的
电场,从而易于导致出现热载流子。因此,在小尺寸器件以及大规模集成电路中,容易出现
热载流子。由于热载流子所造成的一些影响,就称为热载流子效应。
2)在半导体中,热载流子所表现出来的重要效