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探針臺進行芯片失效分析:EM 電遷移; TDDB 與時間相關的電介質擊穿; HCI 熱載流子注入效應; SM 應力遷移(ZZ)
發布日期:2018-8-30   點擊次數:432


電遷移 EM(electromigration) 

電遷移(EM)是微電子器件中主要的失效機理之一,電遷移造成金屬化的開路和短路,使器件漏電流增加。在器件向亞微米、深亞微米發展后,金屬線的寬度不斷減小,電流密度不斷增加,更易于因電遷移而失效。因此,隨著工藝的進步,EM的評價備受重視。 

導致電遷移的直接原因是金屬原子的移動。當互連引線中通過大電流時,靜電場力驅動電子由陰極向陽極運動,高速運動的電子與金屬原子發生能量交換,原子受到 猛烈的電子沖擊力,這就是所謂的電子風力。但是,事實上金屬原子同時還受到反方向的靜電場力。當互連線中的電流密度較高時,向陽極運動的大量電子碰撞原 子,使得金屬原子受到的電子風力大于靜電場力。因此,金屬原子受到電子風力的驅動,使其從陰極向陽極定向擴散,從而發生電遷移。

電遷移是金屬線在電流和溫度作用下產生的金屬遷移現象,它可能使金屬線斷裂,從而影響芯片的正常工作。電遷移在高電流密度和高頻率變化的連線上比較容易產生,如電源、時鐘線等。為了避免電遷移效應,可以增加連線的寬度,以保證通過連線的電流密度小于一個確定的值。

通常EMI效應引起的問題是電源網格電阻增加,從而導致IR降增加,從而影響電路時序。

與時間相關電介質擊穿 TDDB(time dependent dielectric breakdown )

在柵極上加恒定的電壓,使器件處于積累狀態。這就是一般所說的TDDB(time dependent dielectric breakdown )。經過一段時間后,氧化膜就會擊穿,這期間經歷的時間就是在該條件下的壽命。


熱載流子注入效應HCI (hot carrier injection)

隨著芯片尺寸的減小,芯片的供電電壓、工作電壓并沒有相應減少很多,所以相應的電場強度增加了,導致了電子的運動速率增加。當電子的能 量足夠高的時候,就會離開硅襯底,隧穿進入柵氧化層,從而改變閾值電壓。這種效應會增加NMOS的 閾值電壓,減小PMOS的閾值電壓。并影響其它的參數包括VTgmStIdsat等,并產生長期的可靠性問題。

熱載流子退化效應(HCE)載流子在強場強的作用下能量大大增加,其等 效溫度Te超過晶格溫度T時的載流子稱為熱載流子.熱載流子的注入引起MOS器件性能退化,如熱載流子能量較高,有可能穿過SiO2界面形成柵電 流


應力遷移 SM (Stress migration)

一直以來公認電遷移是一個很大的問題 ,但是在 1 984年的《國際可靠性物理論叢》(International Reliability Physics Symposium) ,初次報告了一種和電遷移不同的新的不良類型,配線不通電 ,只在高溫 (約 1 0 0℃以上 )放置就會出現斷線 ,主要原因是金屬配線 (Al)和絕緣膜 (Si O2 )的熱膨脹率相差很大 (d A1 =2 .5× 1 0 7/ K,d Si O2 =0 .5× 1 0 6/ K) ,從而引起熱應力缺陷 ,應力遷移由此而被命名.


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