电路基础及评价 8

集成电路可靠性设计与评价第三章集成电路失效机理3.1、晶圆级失效机理3.1.1、热载流子效应3.1.2、与时间有关的栅介质击穿3.1.3、电迁移3.1.4、PMOSFET负温度偏置不稳定性3.1.5、CMOS电路的闩锁效应3.1.6、制程整合引入的损伤3.1、晶圆级失效机理1.热载流子效应热载流子是指在强电场作用下获得高能的载流子，它们易注入氧化层形成固定电荷，并损伤硅-氧化层界面产生悬挂键，导致器件性能退化，影响芯片功能甚至失效。MOSFET热载流子应力测试图95以NMOSFET为例研究热载流子效应，监测应力下阈值电压Vth、跨导gm、线性区电流Idlin、饱和区电流Idsat等参数的变化。栅极应力分最大工作电压（Vgmax）和体电流最大时电压（Ibulkmax），漏极施加加速的工作电压。MOSFET热载流子退化NMOSFET热载流子退化曲线MOSFET热载流子应力测试图95热载流子动能超过Si/SiO₂界面势垒时，易打断界面附近的Si-H键，形成悬挂键（界面态），俘获载流子并降低迁移率，导致电流退化；部分热载流子注入氧化层形成固定电荷，在表面感应出镜像电荷，改变掺杂分布。MOSEFT器件热载流子退化机理Si/SiO₂界面缺陷界面态形成过程95为抑制热载流子效应，通常在漏端增加一个浓度较低的轻掺杂区（LDD）。加偏压后，耗尽层同时在衬底和N-区展宽。电场峰值位于N-与衬底的冶金结处，并沿表面向N+区逐渐降低。LDD结构电场分布范围更大，峰值电场显著降低，从而减轻热载流子效应。以NMOSFET为例，相同条件下LDD器件寿命比普通结构提高10倍。MOSFET热载流子抑制方法LDD结构常规结构和LDD结构电场及寿命对比（a）器件表面电场对比（b）器件寿命对比953.1、晶圆级失效机理2.栅介质击穿经时击穿（TDDB）指栅介质层在长期恒定电压下发生失效、失去绝缘性的现象。恒定电压下的泄漏电流随时间的变化TDDB测试方法TDDB测试常用恒定电压应力（CVS）法，即保持栅氧两端电压不变，实时监测电流直至击穿。此外也有恒流、斜坡电压/电流等方法。95TDDB测试曲线（恒压法）阶段1：应力诱导泄漏电流阶段（缺陷产生阶段）阶段2：即软击穿阶段（软失效），表现为电流噪声明显增加，或低电压下泄漏电流较前次测试扩大5倍以上阶段3：即硬击穿阶段（硬失效），泄漏电流较前次测量增加10倍以上恒定电压下的泄漏电流随时间的变化95氧化层中载流子隧穿及击穿机理直接隧穿示意图F-N隧穿示意图直接隧穿：发生在氧化层较薄时，电子在电场作用下直接穿过氧化层势垒F-N隧穿：发生在高电场下，氧化层势垒变陡呈三角形，宽度变窄，电子隧穿几率增加，形成泄漏电流TDDB改善方法123选择本身具有高击穿电场强度和良好稳定性的绝缘材料，如高介电常数氧化物，或者对二氧化硅材料进行掺杂元素优化薄膜沉积工艺，控制界面质量，通过改变温度、压力和反应气体流量等参数，减少缺陷将合理的器件结构设计，优化局部电场，避免局部电场过高3.1、晶圆级失效机理3.电迁移电迁移是指在高电流密度下，金属互连线中的电子与金属原子发生碰撞，将动量传递给原子，使其沿电子方向迁移，导致导线出现凸起或空洞。电迁移现象95电迁移发生机理电子风力：电流使电子定向移动并与金属原子碰撞，产生与电子流向相同的电子风力，电子风力超过反向的静电场力时，原子开始迁移应力梯度：因材料热膨胀系数不同产生热机械应力梯度，驱动原子迁移形成晶须和空洞温度梯度：焦耳热导致温度分布不均，原子从高温区向低温区迁移，改变电阻率并加剧焦耳热，形成正反馈。金属原子受力示意图电迁移改善方法123减少梯度的发生：改善金属层的厚度；增加互连线宽度；覆盖介质层，抑制金属扩散使用具有高电迁移耐力的材料：在铝金属中加入其它合金杂质；采用如金和铜等特性更好的金属使用冗余设计来分流电流强度：优化集成电路的布局布线3.1、晶圆级失效机理4.PMOSFET负温度偏置不稳定性偏置温度不稳定性（BTI）是指栅极持续施加电压应力时，Si/SiO₂界面产生晶格失配和界面陷阱，导致阈值电压或平带电压漂移，高温下更为显著。根据栅压极性分为：PBTI（正偏置温度不稳定性）：栅加正偏压；NBTI（负偏置温度不稳定性）：栅加负偏压通常PMOSFET的NBTI效应更为严重，是重点研究对象。95栅极施加介于最大工作电压与击穿电压之间的负偏压，环境温度设为工作的最高温度。测试时，先监测器件初始电学特性，然后施加NBTI应力，到达设定时间后再次监测电学特性，并循环延长应力时间、重复监测。随着应力时间的增加，器件的阈值发生了增加，同时也带来线性电流、饱和电流和跨导的下降。NBTI的测试与表征NBTI测试示意图NBTI效应对PMOSFET器件电学特性的影响95NBTI效应退化机理NBTI效应的反应-扩散模型（a）受压阶段（Vgs=-Vcc）（b）恢复阶段(Vgs=0)NBTI导致的电学特性退化主要源于氧化层中正电荷的增加。过程分为两个阶段：受压阶段：Si/SiO₂界面处弱Si-H键在高温和应力下断裂，产生界面陷阱和氢原子。恢复阶段：部分氢气重新分解，与界面陷阱结合形成Si-H键，界面陷阱密度下降由于恢复阶段重新生成的Si-H键数量有限，因此阈值电压在NBTI效应作用下持续上升95NBTI效应的抑制方法PMOS阈值电压优化前后退化对比为抑制NBTI效应，通常采用键能更高的元素（如氟或氚）替代氢，与硅形成Si-F或Si-D键，以增强界面稳定性，减少负偏压下Si-H键断裂导致的界面缺陷。3.1、晶圆级失效机理5.CMOS电路的闩锁效应CMOS电路闩锁效应是由衬底扰动（如串扰、位移电流、碰撞电离等）引发寄生BJT开启，形成正反馈，最终导致电源与地之间大电流导通、器件失效的现象。闩锁结构及其简化电路（a）典型CMOS结构剖面图（b）简化等效电路图95闩锁效应失效机理MOS器件回滞曲线MOS管的回滞曲线有两个重要的两个拐点（Vs，Is）和（Vh，Ih）：电流Is标志着从高阻区向负阻区的转变。Ih标志着从负阻区向低阻区的转变。闩锁的形成需满足三个条件：达到触发电流Is；存在电流放大的正反馈回路；两个寄生三极管的电流增益乘积大于1，确保负阻区向闩锁区稳定转变95闩锁效应抑制方法优化结构示意图及优化后效果曲线（a）优化的CMOS结构剖面图（b）电源电流曲线增加PMOS和NMOS漏极之间的距离，减小寄生三极管的增益通过添加少子或多子环，其可吸收部分电流，减少了流