微电子元器件的可靠性研究

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1、微电子元器件的可靠性研究随着科技的不断发展，信息处理效率的提高，微电子器件的尺寸越来越小，这使得微电子器件的可靠性问题逐渐凸显出来.微电子器件可靠性主要受四个方面的影响：栅氧化层、热载流子、金属化、静电放电.通过对国内外现状的分析，主要介绍了影响微电子器件可靠性的四个主要因素及其产生原理，并提出了提高微电子器件可靠性的解决方案及措施.目前，飞速发展的微电子技术和不断缩小的器件尺寸，都使得由于器件可靠性而造成的影响越来越严重.以静电放电(ElectroStaticDischarge，ESD)为例，在静电放电失效的基本机理研究方面，中美两国研究人员对过电压场致失效和过电流热致失效的定

2、义、原理以及在何种器件中哪种失效更容易发生等方面都研究得非常透彻.但是，具体到某一类型的微电子器件的ESD失效模式和基本机理，美国研究得更加充分且全面，并建立了ESD[主要是人体模型(HBM)和带电器件模型(CDM)]的失效电路模型.另外，除了传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，美国还系统地研究了磁性读写头、各种微电子芯片等器件[1].目前，我国在微电子器件可靠性的研究方面加大了资金和技术投入，缩小了与美国的差距.但是对典型微电子系统的ESD失效分析和对先进的失效分析技术手段、方法的研究和运用等方面仍然是我国科研工今后需要努力的方向.1影响微电子器件可靠性的主要因素影响微

3、电子器件[如互补金属氧化物半导体(CMOS)、金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)、垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管(VDMOS)等]长期工作可靠性最主要的失效机理包括：热载流子效应、栅氧化层及栅氧击穿(即电介质经时击穿，TDDB)、金属化及电迁移、静电放电(ESD).下面对这四种失效机理及可靠性模型等方面进行详细介绍.1.1热载流子效应热载流子效应是电路中重要的失效模式之一.在超大规模集成电路中，随着栅氧化层厚度、结深和沟道长度的减小，导致漏端电场增强，从而加剧了由热载流子引起的可靠性问题.热载流子注入氧化层会引起器件的阈值电压漂移、跨导下降，甚至导致器件特性退化.

4、随着时间的推移，器件性能的退化将会导致整个电路失效.1.1.1热载流子效应对器件的影响首先是热载流子对器件寿命的影响.由于热载流子的注入，器件氧化层中电荷的分布被改变，从而导致器件性能的退化.热载流子还可加速器件老化.对晶体管进行最恶劣情况下的加速老化试验，可推算出常规条件下器件的寿命，由此可衡量热载流子特性的优劣[2].其次，热载流子效应的存在严重影响了场效应管MOS集成电路集成度及电路和器件的可靠性.图1为栅氧化层厚度为40nm、30V电压条件下，MOS电容栅电流Ig随时间t的变化关系.从图中可知，在恒定电压下，栅电流随着时间的增加而减小.1.1.2热载流子效应引起的失效现象

5、[3](1)雪崩倍增效应在小尺寸MOSFET中，随着源—漏电压的升高以及沟道长度的缩短，夹断区的电场也增强.这时，通过夹断区的载流子将从强电场获得很大的漂移速度和动能，就很容易成为热载流子，同时这些热载流子与价电子碰撞时还可产生雪崩倍增效应.(2)阈值电压漂移若夹断区的一些热载流子与声子发生碰撞，得到了指向栅氧化层的动量，那么这些热载流子就有可能注入栅氧化层中;进入栅氧化层中的一部分热载流子还有可能被陷于氧化层中的缺陷处，变成固定的栅氧化层电荷，从而引起阈值电压漂移和整个电路性能的变化.(3)MOSFET性能的退化沟道内的一小部分有足够高能量的热载流子可以越过Si-SiO2界面的

6、势垒(电子势垒高度Eb约为3.2eV，空穴的Eb约为4.9eV)，并且注入栅SiO2层中形成栅极电流Ig.此栅极电流尽管很小，但热电子注入栅SiO2层中将会引起界面陷阱积蓄电荷，并且，电荷的积累经过一段时间之后会使器件性能退化，导致阈值电压漂移、跨导降低和亚阈值斜率增大，甚至栅氧化层击穿.(4)寄生晶体管效应当有较大的衬底电流Isub流过衬底(衬底电阻为Rsub)时将产生电压降(Isub·Rsub)，使得源—衬底的N+-P结正偏，从而形成一个“源—衬底—漏”的寄生N+-P-N+晶体管.该寄生晶体管与原来的MOSFET并联构成了一个复合结构的器件.这种复合结构导致了短沟道MOSFE

7、T发生源—漏击穿，还会导致CMOS电路中的闩锁效应，使伏安特性曲线出现回滞现象.1.2金属化及电迁移电迁移是指在很大电流的作用下，金属原子发生扩散迁移的一种物理现象.电迁移中原子扩散方向与电子流动方向相同.电迁移将使得原子源源不断地由阴极向阳极扩散，并逐渐导致在阴极形成空洞，在阳极则发生原子的堆积.这种过程将随导电截面积的减小而加速进行，最终导致器件的失效[4].电迁移现象是在直流电流作用下金属中的离子产生位移所致.首先表现为电阻值的线性增加，到一定程度后就会引起金属膜局部亏损而