基于失效机理的半导体器件寿命模型研究_赵霞

根据下式得到Ｎ的近似值：
Ｎ≈
ｄ ｄ
（ＩｎＴＦ） （ＩｎＪ）
（２）
假设： 有一个非常长的铝—铜金属管， 其颗
粒尺寸比线宽大； 移动环境是便携式电脑内的芯
片 温 度 （８０℃）； 办 公 环 境 是 外 壳 内 的 芯 片 温 度
（５０℃）； 移动环境和办公环境 的 电 流 密 度 分 别 是
２．５ ｍＡ／ｃｍ２ 和 ２．０ ｍＡ／ｃｍ２； 且 Ｊ ＞＞Ｊｃｒｉｔ， Ｅａ＝０．８ ｅＶ， Ｎ＝２。那么， 应用以上寿命模型， 即可得到办公
第９卷 第１２期 ２００７年１２月
技术前沿
Ｖｏｌ．９ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ． ２００７
基于失效机理的半导体器件 寿命模型研究
赵霞， 吴金， 姚建楠 （东南大学无锡分校， 江苏 南京 ２１００９６）
摘 要： 为了探讨不同失效机理对元器件寿命的不同影响。文中分析了半导体器件的三个主 要失效机理 （电迁移、腐蚀和热载流子注入） 的影响因素及寿命模型， 并通过具体数据计算 分析了加速因子对不同状态下半导体器件寿命所产生的影响。 关键词： 半导体器件； 可靠性； 加速寿命试验； 失效机理
是关于外加电压的表达式， 它可由具体测试条件
决定。
幂律模型为：
－Ｎ
ＴＦ＝Ａ０ＲＨ ｆ（ｖ）ｅｘｐ（Ｅａ／ｋＴ）
（５）
其 中 ， Ａ０ 为 任 意 值 ， Ｎ≈－ ２．７， Ｅａ＝０．７ ￣０．８ ｅＶ， ｆ （ｖ） 是关于外加电压的表达式。
ＲＨ２ （劳森） 模型为：
２
ＴＦ＝Ｃ０ＲＨｆ（ｖ）ｅｘｐ（Ｅａ／ｋＴ）
２ 电迁移
由于载流子和施主晶格之间的相互影响， 铝 离 子 将 会 沿 电 子 传 输 方 向 移 动［１－ ２］。 由 于 分 叉 中 心 的存在， 空位开始团簇， 团簇分子生长成空穴 后， 还将继续生长， 直到能阻挡铝中的电流。至 电流将被迫流向阻挡层， 同时相应的电阻将增 加， 并导致器件失效。因此， 这是一个质量守衡 过程， 传输铝离子的积聚可使支持的介质层的应 力增加， 并最终导致断裂和短路。电迁移是在高 温、大电流密度下， 通电铝条中的铝离子沿电子 流 传 输 的 过 程 。 电 迁 移 是 半 导 体 器 件 和 ＩＣ的 电 极 系统中最主要的失效机理。一般情况下， 影响金 属电迁移的因素有金属互连线的长宽厚、温度、 晶粒尺寸和结构、添加元素、表面处理和钝化层 结构等。
加速寿命试验由于其电迁移的影响， 对于长 金属线来说， 铝合金条通常被焊盘连接且没有阻 挡金属化， 其整体失效时间 （寿命） 可由成核控 制， 一般取电流密度因子Ｎ＝２。其次， 由于简单 的焊盘连接的蝶形ＮＩＳＴ电迁移测试结构， 对于现 有的多层金属系统是不适合的， 相对于通路反馈 测试结构则能够得到十分好的电迁移结果。第三 要必须细心设计通路反馈测试结构， 以避免电阻
０ 引言
随着微电子设备应用的越来越广泛， 半导体 器件的生产成本和性能要求将被可靠性要求所取 代。为了分析、评价器件的可靠性， 必须对其进 行可靠性试验。在正常工作条件下， 为了更快地 得到器件的可靠性数据， 通常采用加速寿命试验 的方法， 并根据器件的失效机理来分析相应的失 效模型， 以改进相关设计。
１ 半导体器件可靠性寿命模型
半导体器件在使用或储存过程中， 总存在着 某种比较缓慢的物理化学变化。当这些物理化学 变化过程发展到一定阶段， 器件的外观特性和功 能就逐步改变， 最终导致特性的退化和功能的丧 失， 即失效。电子元器件的失效隐患多种多样，
收稿日期： ２００７－ ０７－ ３０
如电迁移、腐蚀、与时间相关的介质击穿、热载 流子注入、软误差等等。以上各方面因素的综合 作用决定了器件的寿命模型。
－ Ｏｆｆｉｃｅ １／ＴＨａｓｔ）］
（８）
代 入 数 据 后 可 得 到 ＡＦ约 为 ８１６２９。 这 表 示 ，
由高加速寿命试验环境变为办公环境时， 寿命值
要增加约８１６２９倍， 高加速寿 命 试 验 的 加 速 应 力
值相对于湿度引起的值要相差约３２３倍 ， 与 外 加
电压引起值的相差１．２倍， 同时与温度引起的值相
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Hale Waihona Puke Baidu
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饱和和贮存效应， 因为这些效应会产生错误的中
值寿命。
与通孔和联结相关的电迁移必须分别分析，
因为它们现实的特征并不像焊盘单一产生的反
（９）
其中， Ｂ为任意值 （是与掺杂分布、侧墙间
隔 数 等 相 关 的 系 数 ）， Ｎ可 取 ２￣４ （典 型 值 为 ３），
Ｅａ＝０．１ ｅＶ￣０．２ ｅＶ。对于Ｎ沟道器件， Ｉ是衬底电流 峰值Ｉｓｕｂ。对于Ｐ沟道器件， Ｉ是栅电流峰值Ｉｇａｔｅ。而 对于Ｐ沟道器件， 其衬底电流与电压的比值有一
计 算 整 理 得ＡＦ＝８０００： 可 见 ， 由 加 速 测 试 环 境转变为办公环境时， 寿命值将增长８０００倍， 其
中衬底电流可引起１０００倍的增长， 温度 可 引 起８
倍的增长。
５ 结束语
集成电路的广泛应用， 使得半导体器件的可 靠性愈来愈重要。目前加速寿命试验已成为控 制、提高器件性能的一种行之有效的办法。实际 上， 影响器件可靠性的因素很多， 除文中分析的 电迁移、腐蚀、热载流子外， 还有与时间相关的 介质击穿、过应力、温度等因素， 设计时还需针 对更多的因素进行具体分析， 并通过建立具体的 可靠性模型来分析各种参数 （如电流密度、温 度 、 湿 度 等 等 ）。 并 考 虑 每 个 因 素 对 于 器 件 可 靠 性的影响， 从而使加速寿命试验更具实践和指导 意义。
环境与移动环境下的寿命值之比ＡＦ：
－Ｎ
ＡＦ＝（ＪＯｆｆｉｃｅ／ＪＭｏｂｉｌｅ） ｅｘｐ［（Ｅａ／ｋ）（１／ＴＯｆｆｉｃｅ－ １／ＴＭｏｂｉｌｅ）］ （３）
代入以上数据进行计算， 便可得到ＡＦ （约为 １８）。 可 见 ， 从 高 温 大 电 流 密 度 的 移 动 环 境 转 移
到低温小电流密度的办公环境后， 其寿命值可增
温度、电压和相对湿度变化而无法提供有效的统
计数据来区分不同的模型时， 其模型的选择差异
不大。但在这些模型中， 电压项是必须的， 而指
数模型在通常条件下是最有效的。其倒数指数模
型为：
ＴＦ＝Ｃ０ｅｘｐ（ｂ／ＲＨ）ｆ（ｖ）ｅｘｐ（Ｅａ／ｋＴ）
（４）
其中， Ｃ０为 常 数 ， ｂ≈３００， Ｅａ＝０．３ ｅＶ， ｆ （ｖ）
件的开关特性。
在加速寿命试验中， 有热载流子注入时， 对
于大于０．２５微米的 器 件 ， Ｎ沟 道 的 峰 值 衬 底 电 流
和Ｐ沟道的峰值栅电流可准确地模拟热载流子注
入 晶 体 管 的 衰 退 ， 而 对 于 小 于０．２５微 米 的Ｐ沟 道
器件， 在热载流子作用下， 驱动电流跟ＮＭＯＳ一
样趋于减小， 但 对 于 小 于０．２５微 米 的Ｎ沟 道 器 件
在最大衬底电流作用下将得到最坏情况寿命， 其
寿命模型与Ｐ沟道是一样的。另外， 截止态的漏
电将显著增大， 特别是Ｐ沟道开始的大电流驱动
时 。 热 载 流 子 注 入 的 物 理 性 质 在 ０．２５ 微 米 甚 至 更
小时会发生改变， 这将导致更坏的应力情况。事
实上， 准确的电压模型比衬底电流和栅电流都要
大１８倍。其中电流密度项相差１．６倍， 温度项相差
１１．５倍， 最终可产生１８倍的整体寿命增长。
３ 腐蚀
对于掺杂小部分铜和硅的铝合金特大规模集 成器件而言， 其腐蚀造成的失效概率很大。腐蚀 出现在存在湿气和杂质的金属化处， 通常将腐蚀 失效分为两大类： 焊盘腐蚀和内部腐蚀。相比之 下， 焊盘腐蚀则更为普遍， 因为焊盘位置处的导
个模型的相互比较证实， 指数模型ａ的取值范围
应为０．１２￣０．１５。
通过比较办公环境与一个高加速寿命试验环
境， 可计算由于氯化物污染引起的铝腐蚀的加速
系数。假如办公环境下的芯片温度为５０℃， 相对
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湿度为１０％， 外加电压为５ Ｖ； 而高加速寿命试验
境的相对湿度有所不同。如果功耗小， 则环境相
对湿度与局部相对湿度近似相同； 如果功耗大，
则其应力试验必须调整到合适的局部和环境相对
湿度， 从而得到有意义的数据。
为了能用加速腐蚀试验结果推断现场使用条
件， 常用的四种模型均属于埃林模型。该模型应
用了一个相对湿度项、一个外加电压项和一个基
于温度的阿列纽斯因子。通常， 在没有足够大的
－Ｎ
ＡＦ＝（Ｉｏｆｆｉｃｅ／Ｉａｃｃｅｌ） ｅｘｐ［（Ｅａ／ｋ）（１／Ｔｏｆｆｉｃｅ－ １／Ｔａｃｃｅｌ）］ （１０）
代入数据得：
－３
－５
ＡＦ＝ （１ μＡ／１０ μＡ） ｅｘｐ ｛（－ ０．１５ ｅＶ／８．６２×１０
ｅＶ／°Ｋ） ［１／（２７３°Ｋ＋５０℃） － １／（２７３°Ｋ－ ４０℃）］｝ （１１）
更实用。热载流子注入评价一般选择的测试结构
可直接用于产品， 并可用于直流工作状态， 因此
计算得到的寿命值可以看作是工艺比较的一个指
标 ； 当Ｖｃｃ低 于２．５ Ｖ时 ， 与 温 度 相 关 的 衬 底 电 流 就有可能获得激发能量。实际上， 沟道期器件一
般应选用艾琳模型：
－Ｎ
ＴＦ＝ＢＩ ｅｘｐ（－ Ｅａ／ｋＴ）
加 速 寿 命 试 验 （Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｌｉｆｅ Ｔｅｓｔｉｎｇ， 简 称ＡＬＴ） 就是采用加大应力的方法促使 样 品 在 短 期内失效， 以预测在正常工作或储存条件下的可 靠性， 但不改变受试样品的失效分布。加速寿命 试验可以在较短的时间里， 对高可靠器件的可靠 性水平进行评估， 并对器件的可靠性设计、工艺 改进和可靠性增长效果进行评价， 加速暴露器件 失效模式和机理， 从而正确地制定失效判据和筛 选条件。
（６）
其中， Ｃ０为任意值 （典型值为４．４×１０－４）， ＲＨ是
以％标记的相对湿度， Ｅａ＝０．６４ ｅＶ， ｆ （ｖ） 是关 于
外加电压的表达式。
指数模型为：
ＴＦ＝Ｂ０ｅｘｐ［（－ ａ）ＲＨ］ｆ（ｖ）ｅｘｐ（Ｅａ／ｋＴ）
（７）
其中， Ｂ０为常数， ａ为０．１０～０．１５， Ｅａ＝０．７￣０．８ ｅＶ， ｆ （ｖ） 是 关 于 外 加 电 压 的 表 达 式 。 通 过 对 四
馈。通孔和连接要考虑电流的流向 （从Ｍ２到Ｍ１，
从 Ｍ１ 到 Ｍ２）， 因 为 通 孔 会 显 示 出 不 同 的 退 化 速
度。通孔退化速度主要由通孔的结构、数量和布
局决定。通孔退化会产生贮存效应。需要注意的
是硅化物的形成和阻挡类型的差异。由于接触点
失效后， 硅 （而非铝） 会构成扩散。
用布莱克模型描述电迁移以决定寿命的方程
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体部分通常没有充分的钝化。内部腐蚀是由于芯
片钝化时有损伤， 且使湿气可以到达金属化部分
所致。
在加速寿命试验中， 铝腐蚀的固有激活能在
０．７￣０．８ ｅＶ范 围 内 ； 同 时 其 相 对 湿 度 是 局 部 的 相
对湿度， 而且硅片与封装界面上的相对湿度与环
环境温度为１３０℃， 相对湿度为８５％， 外加电压６
Ｖ， Ｅａ＝０．７５ ｅＶ， 相对湿度的幂为－ ２．７， 腐蚀率与 外加电压成线性， 那么， 两种环境中所得到的寿
命值的比ＡＦ为：
Ａ ＝（Ｒ ／Ｒ ）－ Ｆ
ＨＯｆｆｉｃｅ
ＨＨａｓｔ
２．７×（ＶＯｆｆｉｃｅ／ＶＨａｓｔ）×ｅｘｐ
［（Ｅａ／ｋ）（１／Ｔ
经验法则， 就是源漏电压每升高０．５Ｖ， 衬底电流
峰值就翻一倍。
比较办公环境与加速测试环境， 可计算出ｎ
沟道器件由于热载流子注入失效的加速系数。若
办公环境下的芯片温度为５０℃， 衬底电流为１μＡ；
而加 速 环 境 下 的 芯 片 温 度 为－ ４０℃， 衬 底 电 流 为
１０ μＡ， 且Ｎ＝３， Ｅａ＝－ ０．１５ ｅＶ。 则 两 种 环 境 下 的 寿命比ＡＦ为：
差约２１０．５倍。
４ 热载流子注入
热载流子注入描述的是获得足够能量的载流
子 注 入 到 栅 氧 化 层 的 现 象 。 当 载 流 子 沿 ＭＯＳ管 的
沟道运动， 并在器件的漏区边缘发生碰撞电离
时， 就会发生热载流子注入。这种损伤通常出现
在界面及氧化物内。由这个机理引起的界面态和
电荷捕获会使得晶体管参数退化， 典型影响是器
如下：
ＴＦ＝Ａ０
（Ｊ－ Ｊｃｒｉｔ）
－
Ｎ
ｅｘｐ
!Ｅａ／ｋＴ
"
（１）
其 中 ， Ａ０为 常 数 ， Ｎ为 电 流 密 度 因 子 ， Ｅａ为 激活能， ｋ为波尔兹曼常数 （８．６２×１０－５ ｅＶ／Ｋ）， Ｔ为
绝对温度， 施加的电流密度Ｊ一定要比临介电流
密度Ｊｃｒｉｔ大， 这样才能形成失效。电流密度和金属 线长度会引起Ｎ的变化， 考虑到Ｎ的变化， 可以