集成電路的失效物理的相關(guān)檢測研究

宋欽澤

（遼寧科技大學(xué) 遼寧 鞍山 114000）

集成電路的失效物理的相關(guān)檢測研究

宋欽澤

（遼寧科技大學(xué) 遼寧 鞍山 114000）

隨著我國半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，集成電路市場的拓展也一步一步的不斷加快，而傳統(tǒng)的“預(yù)計手冊”雖然能夠有效的檢測產(chǎn)品的性能和可靠性，但無法準確的檢測集成電路的更新周期和使用范圍。因此可靠性的物理預(yù)計方法開始逐漸的替代“預(yù)計手冊”，成為集成電路檢測的有效手段。但是物理預(yù)計方式在集成電路的時效性和失效分布上存在一定的缺失，如何通過失效物理機制提高物理預(yù)計方法的檢測集成電路，直接關(guān)系到集成電路的運用。

集成電路；失效物理；檢測

1 引言

隨著我國半導(dǎo)體市場的成熟和發(fā)展，半導(dǎo)體不僅僅在重要工業(yè)領(lǐng)域或者高新企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，還更加生活化和日常化，進入了人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗Ｓ绕涫窃诿裼煤蜕逃玫氖袌鰬?yīng)用中，半導(dǎo)體的可靠性成為衡量集成電路相關(guān)產(chǎn)品使用效率和產(chǎn)品功能的重要標準。而隨著集成電路可靠性要求越來越高，如何能夠提高產(chǎn)品性能和可靠性之間的平衡和檢測，成為生產(chǎn)廠商和集成電路設(shè)計者共同關(guān)注的問題。而其中，如何檢測集成電路的失效物理狀態(tài)成為保證集成電路行業(yè)發(fā)展的一項重要的標準。

2 失效物理

失效物理是一種研究電子產(chǎn)品失效原因機理的科學(xué)，主要研究各類電子產(chǎn)品在工作、環(huán)境和時間等應(yīng)力下產(chǎn)生的關(guān)系與規(guī)律，同時進一步在原子和分子的水平上探討和分析電子元件和材料失效情況發(fā)生時的過程和機理。對集成電路進行失效物理分析主要是為了能夠?qū)㈦娮釉目煽慷纫蕾嚮瘜W(xué)和物理的方法進行測量，檢測零件或者產(chǎn)品的失效機理，從而有效的減少或者徹底消除電子元件失效現(xiàn)象的發(fā)生，從而確保集成電路在投入生產(chǎn)與生活時能夠安全可靠。因此失效物理的檢測和分析可以說是十分重要的一個環(huán)節(jié)。

失效物理研究和分析主要包括6個步驟，第一，調(diào)查失效產(chǎn)品和收集失效數(shù)據(jù)，包括失效的時間、環(huán)境、條件以及現(xiàn)象等，了解其盈利情況。第二，鑒定失效模式，將被觀測失效的產(chǎn)品現(xiàn)象進行分類，了解其失效現(xiàn)象與同產(chǎn)品的嗯啊一部分有直接關(guān)系。第三，描述失效特征，包括形狀、大小、位置、顏色等，除此之外還包括產(chǎn)品的機械結(jié)構(gòu)、物理以及電性能等。第四，假設(shè)失效機理，根據(jù)受檢測的失效產(chǎn)品特征，結(jié)合其材料的性質(zhì)和制作工藝進一步分析產(chǎn)生失效情況的內(nèi)因和外因。第五，驗證，驗證前一步失效機理的正確性，如果失效機理不正確則重新假設(shè)另一種失效機理，重復(fù)第四、五部開始驗證。

3 四種集成電路檢測模型

3.1 熱載流子注入

熱載流子注入即HCI，電路MOS的管閾值電壓變化或出現(xiàn)不穩(wěn)定、影響集成電路的跨導(dǎo)性能退化等原因，容易造成電路最終失效，而熱載流子注入是很好檢測這一失效原因的方法，這一檢測手法的物理模型表現(xiàn)在使用MOS溝道中載流子在橫向電場中的加速變化，造成Si-SiO2界面變化，尤其是當這一界面產(chǎn)生陷阱時，器件中的電場分布開始變化，遷移率也產(chǎn)生顯著的不同，此時的器件在閾值電壓上明顯退化，即可以判定失效的發(fā)生。

在集成電路中，熱載流子注入變現(xiàn)在兩個主要的方面，其一是器件中的非線性速度與電場的關(guān)系，即當Si中的載流子在高電場中時，會出現(xiàn)漂移速度的飽和現(xiàn)象。此時熱載流子會發(fā)射光學(xué)波聲子，產(chǎn)生熱量，集成電路中的GaAs被加熱，其散發(fā)的能量增加，就會造成集成電路中產(chǎn)生負阻現(xiàn)象，形成非線性速度-電場的關(guān)系。

其二是碰撞電離效應(yīng)：電子器件中的熱電子和晶格產(chǎn)生碰撞，這種碰撞讓原本穩(wěn)定的價鍵被打破，價電子激發(fā)導(dǎo)帶，使期間中產(chǎn)生電子-空穴的作用。α與電場E有指數(shù)關(guān)系：α=Aexp(－Ei/kTe)=Aexp(－B/E)。碰撞電離在滿足能量和動量守恒后，產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象，從而產(chǎn)生失效表現(xiàn)。見圖1。

圖1

3.2 負偏壓溫度不穩(wěn)定性

負偏置溫度不穩(wěn)定性即NBTI，這是一種影響半導(dǎo)體，尤其是金屬氧化物半導(dǎo)體效應(yīng)管使用狀態(tài)的可靠性的原因，受到負偏置溫度不穩(wěn)定的影響，電子器件的閾值電壓容易發(fā)生偏移。這種失效機理一般發(fā)生在PMOS器件中。反應(yīng)-擴散模型認為，負偏壓溫度不穩(wěn)定的發(fā)生是受到負棚壓和高溫度的共同作用，造成繼承電路中的溝道空穴的Si-H鍵斷裂，這種斷裂現(xiàn)象在NMOS中很少發(fā)生，在NMOS中溝道的空穴較少因此很少受到NBTI的影響，但PMOS器件中，溝道空穴眾多，且器件長時間偏置于負偏壓狀態(tài)下，Si-H鍵一旦斷裂H原子將會脫離并隨著界面電場分散游走在界面中，形成帶正電子的陷阱。當負偏壓解除后，H原子再次擴散回到界面處，形成恢復(fù)過程。見圖2。種氧化層缺失現(xiàn)象，由于氧化層的缺陷進一步積累，集成電路出現(xiàn)導(dǎo)電通路。與時間相關(guān)的介質(zhì)層擊穿表現(xiàn)為滲濾模型，這一模型指出，與實踐相關(guān)的介質(zhì)層擊穿往往發(fā)生在期間最薄弱的環(huán)節(jié)發(fā)生斷裂，如果器件中一個鏈條是由n個環(huán)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，那么這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)之間的強度應(yīng)該是相互獨立且性質(zhì)相似的，但如果出現(xiàn)了鏈條的斷裂，一定是這些結(jié)構(gòu)中有一環(huán)出現(xiàn)了強度的變化，且這種強度變化只能是減弱，成為最弱的一環(huán)。見圖3。

圖2

3.4 電遷移

電遷移通常是集成電路的器件在受到電場影響下，器件內(nèi)的導(dǎo)電離子發(fā)生運動，造成了電路的整體失效。電遷移又簡稱EM，在集成電路中，當有電流在導(dǎo)體中流動時，會有大量的電子定向移動，造成集成電路中形成一種推力，推動著晶格原子向著電流的反方向流動。在集成電路中，如果導(dǎo)體的空洞不斷增大容易造成導(dǎo)體截斷，使電子器件失效。在集成電路中，電遷移能產(chǎn)生的區(qū)域很多，互連線的窄頸以及拐彎和層與層之間的接觸孔等多部位產(chǎn)生失效現(xiàn)象。如果MOS器件中的數(shù)量為N，則會有2N個接觸孔，也就會發(fā)生EM失效的情況。電遷移的物理機理模型表現(xiàn)為壽命模型。見圖4。

圖4 MTF和DTF(σ)與W/d的關(guān)系

3.3 與時間相關(guān)的介質(zhì)層擊穿

與時間相關(guān)的介質(zhì)層擊穿其實是在微電子技術(shù)中的一種電擊穿特性，主要發(fā)生在氧化層較薄的位置，這種與時間相關(guān)的介質(zhì)層擊穿出現(xiàn)時，擊穿與陷阱會造成穿越氧化層的相關(guān)電荷停留，造成氧化層的進一步損傷，縮短氧化層的壽命。而這種現(xiàn)象的發(fā)生也直接的表現(xiàn)在氧化層壽命的長短。與時間相關(guān)的介質(zhì)層擊穿簡稱為TDDB，與普通的過應(yīng)力擊穿不一樣的是，與時間相關(guān)的介質(zhì)層擊穿是一

4 集成電路的失效分布

隨著我國集成電路的器件制造和原理發(fā)展越來越深入，對集成電路的失效分布研究也越來越深入。從理論研究和實踐發(fā)展來看，現(xiàn)今的集成電路失效機理已經(jīng)不僅僅是某一個失效機理的影響產(chǎn)生的，而受到了兩個或多個失效機理的共同影響產(chǎn)生的。尤其是為了能夠保證器件功能的有效發(fā)揮，一個集成電路中的MOS器件數(shù)量也越來越多，這就造成失效機理發(fā)生的概率越高，且失效機理的共同作用越明顯。但是在一個電路中，失效機理往往是相互不影響，只要一種失效機理出現(xiàn)，整個集成電路就會總體失效。在我國工業(yè)制作的過程中，往往更希望能夠在產(chǎn)品的使用周期內(nèi)檢測到一個失效率值，從而幫助使用者或者設(shè)計者比較不同的繼承電路產(chǎn)品之間的優(yōu)劣。

在生產(chǎn)和使用過程中，每一個集成電路的晶體管應(yīng)力時間為t/2，在整個工作時間t內(nèi)，NMOS與PMOS的實際工作時間則應(yīng)該是總應(yīng)力時間的一半。因此可靠性的物理預(yù)計方法開始逐漸的替代“預(yù)計手冊”，成為集成電路檢測的有效手段。但是物理預(yù)計方式在集成電路的時效性和失效分布上存在一定的缺失，如何通過失效物理機制提高物理預(yù)計方法的檢測集成電路，直接關(guān)系到集成電路的運用。

[1]陳云霞，謝汶姝，曾聲奎.功能分析與失效物理結(jié)合的可靠性預(yù)計方法[J].《航空學(xué)報》，2008年05期.

[2]雷瑾亮，張劍，馬曉輝.集成電路產(chǎn)業(yè)形態(tài)的演變和發(fā)展機遇[J].《中國科技論壇》2013年07期.

[3]楊道虹.我國集成電路產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2008年09期.

[4]2007年中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會暨第10屆中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會集成電路分會年會征文參考題[J].半導(dǎo)體行業(yè);2007年01期.

[5]2007年中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會暨第10屆中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會集成電路分會年會征文參考題[J].半導(dǎo)體行業(yè);2007年04期.

[6]關(guān)白玉.中國集成電路行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展[A].第二屆高新技術(shù)用石英制品及相關(guān)材料技術(shù)與市場研討會論文集[C].2004年.

TN406 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0091-03