(二)半导体集成电路的失效机理及其预防措施

半导体集成电路的失效机理及其预防措施半导体集成电路的失效机理及其预防措施（（小结小结））

Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)

因为集成电路是由许多元器件组成的，所以其中元器件的失效必然会导致集成电路的失效，然而引起半导体集成电路（IC ）失效的机理尚不仅如此，实际上还要复杂得多，有关系到设计方面的，也有关系到工艺方面的。与集成电路设计密切相关的、能够做到部分或者完全避免的一些失效机理，主要有如下11种。

（1）静电放电静电放电（（ESD ）：

IC 端头上积累的静电电荷可以产生很高的电压，从而会引起p-n 结击穿（造成短路或者大的漏电流）、或者使栅氧化层马上击穿或经过一段时间以后穿通。

为了防止静电放电所引起的失效，首先，在多数管脚上需要设置抗ESD 的保护器件；但连接到衬底的管脚、或者连接到大面积扩散区上的管脚（例如与npn 晶体管集电极相连的管脚），则不需要加保护器件。其次，对于采用薄发射极氧化物工艺的BJT ，与管脚相连的内引线不能在薄的发射极氧化层上走线（穿越），否则可能引起薄发射极氧化层的击穿；不过对于采用较厚发射极氧化物的标准双极工艺而言，就不必考虑这种限制。

此外，在使用IC 时也要特别注意防止静电的产生和积累，如采用静电屏蔽，腕带、电烙铁和工作台要接地，室内要保持一定的湿度等。

（2）电迁移电迁移：：

IC 在大电流、高温下、长时间工作之后，就有可能产生电迁移失效，即出现金属电极连线发生断裂（开路）或者短路的现象。

防止电迁移的根本措施就是限制通过连线的最大电流（这与金属成分、厚度和温度有关）。对于不穿越氧化层的导线，单位宽度上的电流一般要小于2mA/µm ；而对于穿越氧化层的导线，一般要小于1mA/µm 。金属层的厚度和宽度越大，则抗电迁移的能力就越强。 另外，改进电迁移的主要措施有如：在电极金属Al 中掺入原子质量较大的Cu （0.5%～4%），这可使大电流承受能力提高5～10倍；采用耐热性好的势垒金属等。详见“（三）电极连线的电迁移失效”。

（3）天线效应天线效应：：

这是IC 加工工艺中出现的一种失效机理，但是可以通过事先在设计中采取措施来加以预防。

干法刻蚀是通过强电场产生等离子体来加工薄膜材料的一种技术。当在采用干法刻蚀技术来加工多晶硅栅极和氧化物侧壁隔离墙时，即会有静电电荷积累在多晶硅栅极上；结果在栅电极上造成很大的电压，就会引起栅氧化层退化，于是使得有电流通过栅氧化层。这种现象就称为天线效应（因为较大的多晶硅层就像天线一样收集电荷，并让电荷流过脆弱的氧化层）。

天线效应导致栅氧化层退化的程度与流过氧化层的电荷成正比，而与栅氧化层的面积成反比。因为多晶硅层收集的电荷数量与多晶硅面积成正比，所以小尺寸的栅氧化层当与一个大尺寸的多晶硅层相连接时，就容易受到损害。

减弱天线效应的措施有如：减小多晶硅层（或其它金属膜）与栅氧化层的面积比，以降低退化程度；对于较长的多晶硅层，在靠近栅氧化层处插入一段金属跳线，以消除天线效应；适当增加一个二极管来消除静电电荷的影响。

（4）干腐蚀效应干腐蚀效应：：

对于Al 电极系统，只要有湿气和污染的离子，就将发生化学反应——干腐蚀效应。结果会导致电极系统开路而失效。

不幸的是，IC 的塑料封装在经过较长时间之后总会有一定的渗透作用（漏气）；正因为

如此，所以往往还需要在芯片表面上覆盖一层防潮层。然而在芯片的防潮层上又必须开口，以让引线连接到芯片；正是这些开口又为水汽和污染离子进入到芯片表面而提供了潜在的路径。

可见，要防止水汽和污染离子与Al 电极接触，就必须尽量在防潮层上少开孔洞。此外，在管壳中，可填充一些氮气，以减弱干腐蚀的化学作用。

（5）可移动离子污染可移动离子污染：：

有些MOS-IC 在高温偏置条件下工作时，将发生阈值电压的漂移；但若在没有偏置情况下再进行烘烤之即可恢复。这就是由于污染的可移动离子所引起的一种失效现象。

对于IC 性能造成影响的可移动离子，主要是半径较小的Na 、K 、Li 的碱金属离子，其中最常见的、也是最难消除的是Na 离子的污染。因为不管是在高温下、还是在室温下，这些离子都能够在氧化硅中移动，所以它们最容易混入到氧化硅中去，并从而导致器件性能发生变化（特别是，使MOSFET 的阈值电压产生漂移）。

预防可移动离子污染的措施有如：

①注意工艺环境和清洗水、气体、光刻胶等的纯净度，避免各种污染的可能性。

②使用磷硅玻璃（PSG ，即掺磷的二氧化硅）作为栅氧化层，其中的磷具有稳定碱金属离子移动的作用，可把阈值电压的漂移降低到1mV 以下；不过，磷硅玻璃在电场作用下存在极化效应，这又将造成阈值电压的漂移，然而这种极化效应的影响较小，而且可以估算。所以PSG 对于减弱可移动离子的影响还是有效的。

③使用掺磷的多晶硅作为栅电极材料，这可以完全消除可移动离子的影响，并且又不会带来PSG 那样的极化效应。

④改进封装材料和技术，可以减弱可移动离子的污染；在芯片表面上覆盖防潮层，可以防止污染，但是防潮层的开口又是产生污染的通道，所以需要尽量减少开口的数量，并且开口要远离敏感的器件有源区。

⑤在芯片的周围设置所谓划线封条的结构，以防止污染杂质从划片刀口处横向进入到氧化层。

（6）热载流子效应热载流子效应：：

对于MOS-IC ，在高温偏置条件下工作时，会发生阈值电压的漂移，这就是热载流子效应所造成的一种失效现象。

因为当MOSFET 工作于放大状态时，漏极附近处的沟道是夹断（耗尽）的，其中存在很强的电场；随着源-漏电压的升高、以及沟道长度的缩短，夹断区中的电场更强。这时，通过夹断区的载流子即将从强电场获得很大的漂移速度和动能，成为热载流子。

夹断区中的热载流子可以与价电子碰撞而进一步产生出电子-空穴对——雪崩倍增效应。并且，有一些热载流子通过与声子的碰撞、得到了指向栅氧化层的动量时，即就有可能注入到栅氧化层中，从而导致器件的阈值电压漂移和整个电路性能的变化——失效。

对于发生了热载流子注入的器件，若进行烘烤的话，即可提供足够的能量，让那些被氧化层中的陷阱（缺陷）陷住的热载流子释放出来而回到硅中，从而使得器件又恢复到原来无热载流子的状态。据此也可以判断是否热载流子效应所引起的失效。

为了防止热载流子效应，主要是从器件结构和工艺上来设法减弱MOSFET 夹断区中的电场和提高栅氧化层的质量。

关于热载流子效应所导致MOSFET 及其IC 的失效，详见“（五）MOSFET 及其IC 的热载流子失效”。

（7）Zener 蠕变蠕变：：

对于BJT 发射结的雪崩击穿，也会由于热载流子效应而导致出现雪崩击穿电压缓慢增大的现象——Zener 蠕变，这种效应同样会导致IC 产生失效。