基于微电子器件的可靠性分析

基于微电子器件的可靠性分析

发表时间：2016-11-08T10:25:33.353Z 来源：《电力设备》2016年第16期作者：宋健

[导读] 若夹断层的热载流子与声子碰撞，热载流子会进入到栅氧化层，引起阀值电压飘逸，造成整个电路性能的缺失或不灵敏。

（潍坊科技学院）

摘要：近年来人们对于电子器件的要求越来越高，集成度要求高，造成电流密度的增加，对电子元件的耐压和公路容量的要求也在提高。集成度高，电流密度增加，最频繁的工作量下，其器件的热分布也会有很大的变化，会造成电子元件的失效甚至损坏。加强电子元件的可靠性，成为越来越重要的命题。本文针对微电子器件的可靠性进行了分析。

关键词：基于微电子器件的可靠性分析

随着电子信息产业的发展越来越快，微电子技术水平不断提高，对于微电子技术来说，电子产品的微型化，需要材料的支持，随着电子产品的缩小，相关物件想要达到一定的性能，会受到物理条件的制约，但微电子器件又需要朝着高集成度、高速度、高可性等方向发展，功能要求也需要日益强大。这就需要提高微电子器件的可靠性，保证电子产品的正常运行。

1影响微电子器件可靠性的主要因素

1.1热载流子效应，影响微电子器件的可靠性

热载流子效应是影响微电子电路失效的重要因素之一。集中度过高，造成电流密度的增加，器件中电荷的分布被改变，导致器件性能灵敏度下降甚至失效。与此同时，热载流子效应会对集成电路的集成度及电路和器件的可靠性造成影响。产生雪崩倍增效应、阀值电压飘逸、MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)性能退化、寄生晶体管效应。雪崩倍增效应产生于热载流子与价电子之间的碰撞，一般在小尺寸的MOSFET中，因为源一漏电压的升高以及沟道长度的变化，夹断层会相应的产生变化。若夹断层的热载流子与声子碰撞，热载流子会进入到栅氧化层，引起阀值电压飘逸，造成整个电路性能的缺失或不灵敏。

1.2金属化和点的迁移，也会影响微电子器件的可靠性

金属原子发生扩散和迁移的物理现象是电迁移。电迁移使得原子不断的聚集，另一侧则形成空洞，原子的聚集造成导电截面的缩小，于此同时导电截面的缩小又造成原子的聚集，最终导致器件完全的失效。直流电在电子器件中作用于金属，会引起金属中离子位置的变动，这种电迁移现象，首先表现的是电阻的变化，进而影响金属膜局部出现破洞，或者是局部金属膜的堆积，造成电路的连线或者完全失效，影响器件的使用时间。

在我们日常生活中会碰到的静电，在电子器件中也存在，并会对器件可靠性造成影响。静电放电在传统的微电子器件中相对能量较小，可能造成的后果和影响并不明显，一般不被人觉察，但是在高密度的微电子器件中，因为电流密度的倍增，可能造成的静电远远超过了传统的微电子器件，在高密度的微电子器件中，因为静电电场变化和静电放电电流会引起微电子器件内部各个部分失衡，导致设备无法正常运转。

静电放电直接或者间接地都会对电子器件本身造成伤害。直接损伤由电流产生的功耗引起，它会熔化器件的一部分造成故障，电子器件无法正常运转，影响设备的部分功能，或使设备无法正常工作。温度是造成电子器件出现问题的直接原因，但是造成其温度变化的正是静电放电，造成器件内部原子分布问题，电离子移动、聚集，同时静电放电本身也会产生散热对器件造成永久性的伤害。焦耳热是因为静电放电造成的后果，焦耳热产生的温度上升会使金属膜融化，当到达一定熔点，精密的电子器件中的长丝可能会被击断，导致开路，更为严重的情况是，结漏电流会同时使得结细丝、结尖刺及其金属都被融化。与此同时，静电放电还可能在绝缘层发生作用，发生绝缘层的击穿。潜在损伤因为电荷的变化导致器件晶体管电流电压的变化，使电路出现退化，但是整个器件并不会出现功能的失效，只是器件内部电路的退化，但是潜在的损害，在我们发现问题时，更加的难以处理，因为我们并不能确定到底是哪个部分出现的问题。

2栅氧化层及栅氧击穿

因为微电子技术向微型化发展造成基层电路细微化，栅氧化层越来越薄，而电源电压却保持定值，这就对栅氧化层提出了新的要求。如果栅氧化层的导电性能和抗电性能出现问题，那么整个电子器件的安全性都将成为突出问题。这个模型图可以看出有关氧化层TDDB的问题，正确的认识氧化层的寿命。

3微电子器件可靠性的提升措施

3.1抑制热载流子效应，由上文所述我们已经知道热载流子产生的原因及如何对电子器件造成损害。针对其原因，①要对电子器件的制作和设计提高要求。减少漏结附近的电场，可使热载流子发射的可能性降低。要改善栅氧化层的质量，②采用更加先进的技术，有效的降低热载流子的陷进密度及俘获截面，减少原子被截留的数量，进而减少由于热载流子进入到栅氧化层而对器件性能的影响。③采用新的结构模式，如低掺杂漏结构等，可提高击穿电压，减少可能会发生碰撞的电离。④可在电路和版画设计上采取如采用钳位器件或适当增大宽长比等措施。

3.2改善金属化问题，首先要解决界面效应，因为器件性能的提高，热电应力在器件金属化单位面积上不断增大，导致金属与金属、金属与半导体之间的界面扩散及反应的几率增大或许会形成金属与金属的高阻化合物，上层金属穿过阻挡层进人半导体中也可能使器件漏电增大或结短路。因此，界面效应成为目前急需解决的问题。解决界面效应最有效的方法是选择一个合适的阻挡层。事实上，为了防止金属与金属以及金属与半导体的反应及扩散，引人了金属阻挡层。TiN熔点高，热稳定性和化学稳定性好，有极高的硬度和较低的电阻率，干法

和湿法刻蚀工艺成熟，与硅的粘附性较好，因此是一种高性能的阻挡层材料。其次要利用其合金效应、覆盖效应和回流效应，有效的增强电子器件的可靠性。处理合金效应可以在Al中加入少量的铜改进电迁移寿命，另外，事先在AL中加人少量Si可以减小互溶，这样不仅提高了Al的电迁移寿命，还解决了Al-Si由于界面互溶而引起的短路失效问题。所以人们将两者结合，采用Al-Si-Cu合金，发现Al的电迁移寿命显著增加，并且限制了Al、Si的互溶。在金属膜上加上覆盖介质，可以增强薄膜的抗电迁徙能力，提高调制传递函数。结语

总之，电子信息产业的发展越来越快，成为世界第一大产业。微电子技术是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术，其体积小、重量轻、工作速度快、可靠性高，作为电子信息产业的重要基础，其重要性越来越突出。与此同时，保障微电子器件的可靠性的重要性也就越来越突出。微电子电子器件的可靠性受到热载流子效应、金属化和点的迁移、静电放电、栅氧化层及栅氧击穿等方面的影响，针对这些问题需要不断的发现新材料，发展新技术，不断创新思维，真正切实的保障电子器件的可靠性，提高相关设备工作效率。

参考文献

[1]史保华.微电子器件可靠性[M].西安电子科技大学出版社，1999.

[2]江清明,何小琦,杨春晖,周继承.集成电路可靠性电迁移评估技术[J].电子质量.2006(08)

[3]陈荣枝.微电子器件的可靠性研究[J].能源研究与信息，2014，30（1）.

[4]周小刚.浅谈微电子器件静电损伤的测试[J].山东工业技术.2013(11)

作者简介：

宋健，19861103，男，汉族，山东省潍坊市，助教，单位：潍坊科技学院.