【正文】 ? ?或 (11) Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 72 各種金屬的有效原子價(jià)數(shù) Z* 1， IC常用的金屬 Al和 Au,其 Z*0，說明 “ 電子風(fēng) ”力使離子向正電極移動(dòng)； **A u A lZZ?2， ， Au膜抗電遷移能力大大優(yōu)于 Al膜； * 30AlZ ??3， ，說明 Al抗電遷移能力較差； 4， W、 Pt、 Co 等 Z* 0, 說明 “ 電子風(fēng) ” 導(dǎo)致金 屬離子向負(fù)電極方向移動(dòng)； 5, Pt 、 Co 的 Z*很小，抗電遷移能力很強(qiáng)。 此式即為電遷移離子流方程。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 70 二，電遷移的離子流密度 J = NV (1) 式中， V = μF (2) 這里， N為粒子流密度， V為離子運(yùn)動(dòng)速度 ,μ為離子遷移率 ,F為作用在離子上的力 F = Fq+Fe = q（ ZZ’） E = qZ*E (3) 式中， Fq 為電場(chǎng)力， Fe 為載流子（電子）與金屬離子間動(dòng)量交換產(chǎn)生的摩擦力 。一般來講，雜質(zhì)與金屬原子若發(fā)生反應(yīng)，便可減緩擴(kuò)散；若雜質(zhì)的加入可以引入新的缺陷，便可以加速擴(kuò)散。 ? 一般認(rèn)為 DS DGB DL 擴(kuò)散激活能 QS QGB QL 金屬薄膜中三種擴(kuò)散途徑示意圖 Al、 Au金屬薄膜的擴(kuò)散激活能（ ev） Semiconductor Reliability amp。 (2) 晶界 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 67 ?定義 : 多晶體內(nèi) ,不同取向的晶粒界面，稱為晶粒間界，簡(jiǎn)稱晶界。 2 1 0 e x p ( / )mA Z U K T????? 空位的自擴(kuò)散 i,空位以頻率 γ 在晶體中的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為晶體中空位的自擴(kuò)散；空位的存在是產(chǎn)生自擴(kuò)散的條件。 空位運(yùn)動(dòng)過程 ? 空位是可以在晶格中移動(dòng)的： Semiconductor Reliability amp。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 64 2, 空位和晶界 1 e x pfhuCAKT????????? 在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，金屬膜的空位濃度： 式中 ,uf 為空位形成能（ ev), A1為與形成一個(gè)肖特基空位激活熵有關(guān)的常數(shù)。 （ 1）點(diǎn)缺陷 —— 零維缺陷（空位、間隙原子和雜質(zhì)原子等） （ 2）線缺陷 —— 一維缺陷（位錯(cuò)等） （ 3）面缺陷 —— 二維缺陷（晶粒間界 — 多晶體內(nèi)不同取向的晶粒界面） 這些缺陷在空間中有明確可辯的圖象，在時(shí)間上也具有一定的延續(xù)性，所以，在一定程度上可以將這些缺陷當(dāng)作獨(dú)立的個(gè)體對(duì)待。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 62 Al和 Au金屬膜的晶粒尺寸 ? 金屬膜的晶粒直徑取決于膜生長(zhǎng)時(shí)襯底材料的溫度及生長(zhǎng)后的退火溫度和時(shí)間； a Semiconductor Reliability amp。 一 金屬薄膜的缺陷和擴(kuò)散 濺射過程示意圖 Semiconductor Reliability amp。 Semiconductor Reliability amp。 鋁的電遷移 ?定義：當(dāng)直流電流流過金屬薄膜時(shí)，導(dǎo)電電子與金屬離子將發(fā)生動(dòng)量交換而引起金屬離子的遷移，這種現(xiàn)象稱為金屬的電遷移。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 59 167。 鈍化主要從三方面進(jìn)行： (1) ―無 Na‖ SiO2的生長(zhǎng)； (2) 減弱 Na+的活性； (3) 防止芯片制成后 Na+的二次沾污。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 57 2， N溝道 MOS器件中的熱電子效應(yīng) 溝道熱電子示意圖 ? 引起 MOS器件閾值電壓的漂移和跨導(dǎo)的下降 Semiconductor Reliability amp。 P+N結(jié)雪崩擊穿時(shí)熱載流子注入 ?熱載流子注入可以是多子注入，也可以是少子的注入 —取決于 SiSiO2界面的電場(chǎng)方向。 Semiconductor Reliability amp。 Semiconductor Reliability amp。 ? 熱載流子 —能量比費(fèi)米能級(jí)大幾個(gè) KT以上的載流子。 Semiconductor Reliability amp。 ? Qot與工藝的關(guān)系 （ 1） Qot可在 H2 或者惰性氣氛中退火減少乃至消除。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 52 4. 氧化層陷阱電荷 Qot ?主要來源： SiSiO2系統(tǒng)受到 χ 射線、 γ 射線、高能乃至低能各種輻射后產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)；也可以是雪崩或非雪崩下熱載流子注入產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)。 （ 1）小電流下的電流增益 hFE降低 ； （ 2） 1/f噪聲增加； （ 3） MOS器件的跨導(dǎo)和截止頻率降低。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 51 ? Qit 與 Si 基片晶向有關(guān)，按（ 111)(110) (100)遞減 。 這種結(jié)構(gòu)缺陷可接受空穴或電子而帶一定電荷，即界面陷阱電荷。 m a x02f m S DT m s FQ Q QV C ?????? ? ? ? 對(duì) N 溝 MOS 器件，其閾值電壓 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 49 式中， Qf為 SiO2層中的固定電荷， Qm為層內(nèi)可動(dòng)電荷密度， QSDmax為表面耗盡層最大電荷密度 ,C0為單位面積的柵氧化層電容， ?ms 為金屬－半導(dǎo)體功函數(shù)差， ?F為半導(dǎo)體襯底的費(fèi)米電勢(shì)。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 48 (2) 引起晶體管電流增益漂移； 理論分析指出，在厚度為dox的 SiO2中，可動(dòng)電荷密度為?（ x）時(shí)， Si—SiO2 界面可動(dòng)有效凈電荷密度為 : ?p（ x）變化 ?Vt漂移。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 47 NPN管的場(chǎng)感應(yīng)結(jié)及其擊穿電壓 * 引起 NPN管基區(qū)反型，產(chǎn)生溝道，導(dǎo)致 TTL電路多發(fā)射極晶體管交叉漏電流增加，使前級(jí)輸出高電平降低以至失效；導(dǎo)致集電區(qū)表面 n+化，使擊穿電壓下降。 ? 影響 (1) 降低了 pn結(jié)擊穿電壓，增加了漏電流。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 45 原因：鈉性質(zhì)活潑；含量高；在 SiO2中的擴(kuò)散數(shù)僅次于 H ，比 B、P、 As 大近萬倍。 (2) 由于 Qf固定，僅影響閾值電壓的大小，但不會(huì)導(dǎo)致閾值電壓的不穩(wěn)定。 c?Deal三角形 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 42 界面固定電荷密度與晶向關(guān)系 Semiconductor Reliability amp。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 40 1 固定電荷 Qf 固定電荷來源示意圖 ?正電荷 ,電荷密度 。 Semiconductor Reliability amp。 Semiconductor Reliability amp。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 35 五 可靠性各主要特征量之間的關(guān)系 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 34 ? ? 22ln20011( ) ( )2tuttF t f t d t e d tt ?????????2ln21 l n2tu x tue d x? ??? ??????? ? ? ?????式中 為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù) ?四，對(duì)數(shù)正態(tài)分布和 的威布爾分布用圖表 法求解。 2 對(duì)數(shù)正態(tài)分布：隨機(jī)變量 “ X‖ 本身不服從正態(tài)分布 ,而他的對(duì)數(shù)服從正態(tài)分布 。 Semiconductor Reliability amp。 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 31 則 001() t tf t et??則 ? m1 時(shí) ， 曲線有一峰值 ， m 愈大 ， 曲線愈陡； m3時(shí) ,可用來描述器件損耗 （ 老化 ） 失效階段 。 （ 2） m —— 形狀參數(shù)，它決定 f(t)曲線的形狀，當(dāng) t0 和 ? 固定時(shí)，曲線形狀隨 m 值而異。 ? ? ? ?01() mtrm tm t rf t et?? ???1 威布爾分布的失度函數(shù) 不同 t0值威布爾分布的失效密度函數(shù) 二 威布爾分布 1 威布爾分布的失效密度函數(shù) 2 威布爾分布有 t0、 m 和 ? 三個(gè)參數(shù) Semiconductor Reliability amp。 2 器件工作時(shí)間與可靠度的關(guān)系 則 100tt ?（ 3）若 1 100( ) 9 9 %R t e ???則 Semiconductor Reliability amp。 指數(shù)分布時(shí)的 R(t)曲線 ? 當(dāng) λ 確定時(shí)， R(t)與 t的關(guān)系曲線是一負(fù)指數(shù)曲線 Semiconductor Reliability amp。 Reliability Physics 集成電路可靠性與可靠性物理 26 0 ()()t t d ttR t e e? ?? ????? 半導(dǎo)體器件常見的失效分布 指數(shù)分布、威布爾分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布 一 指數(shù)分布 ()t???? 常 數(shù)0 ()()t t d tR t e ?? ??1 ∵ 可靠度 在偶然失效階段，假定失效率 ()() ()ftt Rt? ? ( ) ( ) tf t R t e ??? ?? ? ?同時(shí)可得失效密度函數(shù) f(t) 這即為指數(shù)分布的函數(shù)形式 Semiconductor Reliability amp。 ?λ(t) 隨 t而下降，提供了一條提高器件和整機(jī)可靠性水平的有效途徑 。 Reliability Physi