微电子产品可靠性

1、集成电路可靠性和可靠性物理集成电路可靠性和可靠性物理P672 目录目录第一章第一章 概述概述 3 3 1.1 1.1 基本内容基本内容 3 3 1.2 1.2 可靠性工作的基本内容可靠性工作的基本内容 8 8第二章第二章 可靠性概念及其主要数学特征可靠性概念及其主要数学特征 1111 2.1 2.1 可靠性的定义可靠性的定义 1111 2.2 2.2 可靠度的定量表征可靠度的定量表征 1313 2.3 2.3 器件的失效规律器件的失效规律 2323 2.4 2.4 半导体器件常见的失效分布半导体器件常见的失效分布 2626第三章第三章 集成电路的失效机理集成电路的失效机理 3737 3.1 3

2、.1 集成电路的表面失效机理集成电路的表面失效机理 3737 3.2 3.2 金属化系统金属化系统 6060 3.3 3.3 静电效应静电效应 108108 3.4 3.4 辐射效应对材料和器件的影响辐射效应对材料和器件的影响 161161 3第四章第四章 可靠性试验可靠性试验 230230 4.1 4.1 可靠性试验的分类及内涵可靠性试验的分类及内涵 231231 4.2 4.2 环境试验环境试验 239239 4.3 4.3 寿命试验寿命试验 250250 4.4 4.4 加速寿命试验加速寿命试验 255255 4.5 4.5 可靠性筛选可靠性筛选 266266第五章第五章 失效分析技术失

3、效分析技术 276276 5.1 5.1 失效模式与失效分布失效模式与失效分布 276276 5.2 5.2 失效分析的内容与程序失效分析的内容与程序 279279 5.3 5.3 微分析技术在失效分析中的应用微分析技术在失效分析中的应用 285285 5.4 5.4 红外线显微分析红外线显微分析 341341 5.5 5.5 破坏性物理分析破坏性物理分析 346346第六章第六章 集成电路的可靠性保证集成电路的可靠性保证 348348 6.1 6.1 可靠性设计可靠性设计 351351 6.2 6.2 工艺可靠性工艺可靠性 381381 41.1 1.1 基本内容基本内容 一一. . 课程特

4、点课程特点 六十年代后期崛起的一门新兴边缘学科六十年代后期崛起的一门新兴边缘学科. . 1. 1.涉及面广涉及面广 它包括器件从开发研究、设计、制造一直到包装、它包括器件从开发研究、设计、制造一直到包装、储存、运输和使用维修等各个环节；储存、运输和使用维修等各个环节； 第一章第一章 概概 述述v 从电路结构到电路的加工制造，工艺控制、质从电路结构到电路的加工制造，工艺控制、质量管理等方面；量管理等方面；v 从学科上讲从学科上讲, ,它涉及它涉及失效物理、数理统计、数学失效物理、数理统计、数学模型、化学反应、机械应力、环境工程、实验方法、模型、化学反应、机械应力、环境工程、实验方法、生产管理等方

5、面。生产管理等方面。 52.2.可靠性工作最根本的目的是提高可靠性工作最根本的目的是提高ICIC质量水平和可质量水平和可靠性水平；靠性水平；ICIC集成电路集成电路3.3.研究任务研究任务v 研究硅器件研究硅器件(分立器件分立器件及及IC)IC)失效的各种条件失效的各种条件,包括包括时间、空间、应力、外观变化及各种参数的变化等；时间、空间、应力、外观变化及各种参数的变化等；v 通过有效的检测和分析找出失效原因，确定失效通过有效的检测和分析找出失效原因，确定失效机理；机理；v 通过理化等分析和统计，确定失效模型，对新的通过理化等分析和统计，确定失效模型，对新的失效机理，作进一步的实验研究；失效机

6、理，作进一步的实验研究；6v 根据器件的失效机理，对产品进行可靠性试验根据器件的失效机理，对产品进行可靠性试验(可靠性筛选、可靠性寿命测试等可靠性筛选、可靠性寿命测试等)，并作出可靠，并作出可靠性评估，以调整对新产品的可靠性设计、生产中性评估，以调整对新产品的可靠性设计、生产中的质量控制以及器件的正确使用的质量控制以及器件的正确使用,以最终提高器件以最终提高器件的可靠性的可靠性 集成电路可靠性物理是从发生在器件内集成电路可靠性物理是从发生在器件内部的各种物理、化学效应的角度来研究如部的各种物理、化学效应的角度来研究如何提高半导体器件可靠性的一门学科。何提高半导体器件可靠性的一门学科。71.1.

7、相同点：相同点： 都是研究外界对器件施加影响（统称为应力）后，都是研究外界对器件施加影响（统称为应力）后，在器件内部产生的效应。在器件内部产生的效应。2.2.不同的侧重点：不同的侧重点：v凡外加应力引起器件内部产生的效应是可以复原凡外加应力引起器件内部产生的效应是可以复原的问题，就属于器件物理研究的范围的问题，就属于器件物理研究的范围；不能复原或；不能复原或在器件内部留下可能导致器件特性退化、引入潜在在器件内部留下可能导致器件特性退化、引入潜在缺陷痕迹（宏观的或微观的）的，与这些不可复原缺陷痕迹（宏观的或微观的）的，与这些不可复原效应有关的问题就属于器件可靠性物理研究的范畴效应有关的问题就属于

8、器件可靠性物理研究的范畴。二二. 器件可靠性物理与器件物理的关系器件可靠性物理与器件物理的关系8v 器件物理研究器件物理研究ICIC的核心的核心 芯片内部芯片内部发生的物发生的物理效应；理效应；v 可靠性物理研究器件的失效机理可靠性物理研究器件的失效机理 其不仅包其不仅包括芯片，而且还包括器件的内外引线和封装即器括芯片，而且还包括器件的内外引线和封装即器件的整体。件的整体。三三 内容和重点内容和重点v 基础：半导体物理、晶体管原理、集成电路工基础：半导体物理、晶体管原理、集成电路工艺原理、数理统计等。艺原理、数理统计等。v 内容：从可靠性的数学描述出发，介绍内容：从可靠性的数学描述出发，介绍I

9、CIC失效失效机理、可靠性试验、机理、可靠性试验、ICIC失效分析的手段和方法等。失效分析的手段和方法等。3 3 研究范围研究范围9一一. .集成电路可靠性工作的重要性集成电路可靠性工作的重要性 1.1.集成电路技术发展的需要集成电路技术发展的需要 2.2.集成电路自身结构不断发展的需要集成电路自身结构不断发展的需要 二二. .开展集成电路可靠性试验、研究的目的开展集成电路可靠性试验、研究的目的 1.1.测定或验证电路的可靠性测定或验证电路的可靠性提供整机或系统设计提供整机或系统设计者参考；者参考； 2.2.寻找各种电路的运用极限以及在正常和特殊条件寻找各种电路的运用极限以及在正常和特殊条件下

10、产生失效或退化的内在原因和规律下产生失效或退化的内在原因和规律向电路的设计向电路的设计者、制造商者、制造商提出旨在消除这些失效因素的合理化建议，提出旨在消除这些失效因素的合理化建议，以便进一步改进和提高以便进一步改进和提高ICIC的可靠性；以及的可靠性；以及向用户向用户指出指出正确合理的使用方法和维护条件。正确合理的使用方法和维护条件。1.2 1.2 集成电路可靠性的工作内容集成电路可靠性的工作内容10三三 可靠性试验和研究与发展新工艺、新品种的关系可靠性试验和研究与发展新工艺、新品种的关系112.1 2.1 可靠性的定义可靠性的定义 一一 可靠性是指在规定的条件下和规定的时间内，可靠性是指在

11、规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能（即正常工作）的能力。完成规定功能（即正常工作）的能力。 (1) (1) 规定的条件规定的条件 电路工作时所处的环境条件、电路工作时所处的环境条件、负荷大小以及工作方式负荷大小以及工作方式; ; (2) (2) 规定的时间规定的时间 电路完成规定功能的工作时电路完成规定功能的工作时间间, ,也即正常工作的时间也即正常工作的时间; ; (3) (3) 规定的功能规定的功能 电路的性能技术指标。电路的性能技术指标。 第二章第二章 可靠性概念及其主要数学特征可靠性概念及其主要数学特征12二二 电路的可靠性是一统计指标，它是大量失效电路的可靠性是一统计指标，它是

12、大量失效 信息统计的结果。信息统计的结果。 1 1 电路的失效无法预测电路的失效无法预测随机事件。随机事件。 2 2 从数理统计角度可靠性的定义从数理统计角度可靠性的定义器件在规器件在规定的时间内和规定的条件下完成规定功能的概率。定的时间内和规定的条件下完成规定功能的概率。 3 3 定量化标准产品可靠性涉及到的数学描述定量化标准产品可靠性涉及到的数学描述: :（1 1）失效密度函数）失效密度函数 f(t)f(t)（2 2）累计失效率）累计失效率 F(t)F(t)（3 3）可靠度）可靠度 R(t)R(t)( ) t （4 4）瞬时失效率）瞬时失效率t （5 5）平均寿命）平均寿命 （6 6）寿命

13、方差和寿命标准方差）寿命方差和寿命标准方差131 1 定义：产品在定义：产品在t t时刻时刻, ,在在单位时间内失效的概率。单位时间内失效的概率。 ( )( )n tf tNt（1）( )n tt 式中：式中：N N为参加实验器件的总数，为参加实验器件的总数， 为为t t时刻附时刻附近近 时间间隔内失效的器件数。时间间隔内失效的器件数。t时间间隔内的时间间隔内的失效几率失效几率2.2 2.2 可靠度的定量表征可靠度的定量表征一一 失效密度函数失效密度函数f(t)f(t)14 曲线阴影部分的面积代表了时间间隔内的失效率曲线阴影部分的面积代表了时间间隔内的失效率 二二 累计失效率累计失效率 失效概

14、率失效概率1 1 失效概率：器件在特定环境下，在时刻失效概率：器件在特定环境下，在时刻t t以前失以前失效的几率效的几率; ;2 2 时间内的失效几率可表示为时间内的失效几率可表示为ttt( )tttf t dt （2） T T 从从0则则0( )1f t dt（3）2 2 累计失效率：累计失效率：从从0t时间内失效的累计量时间内失效的累计量0( )( )tF tf t dt（4）15 ( )( )dF tf tdt（2 2）为为F(t)F(t)在在 时的斜率时的斜率0t（5）（3 3）实际数据处理中）实际数据处理中( )( )n tF tN（6）00( )( )tF tf t dt（1 1）

15、为图中阴影部分面积为图中阴影部分面积3 f(t)3 f(t)与与F(t)F(t)的关系的关系162 2 可靠度与累计失效率（不可靠度）是一组对立可靠度与累计失效率（不可靠度）是一组对立事件。事件。 ( )( )1( )Nn tR tF tN （7）( )( )1R tF t（8）1 1 可靠度即可靠性，指器件在给定时间内和规定可靠度即可靠性，指器件在给定时间内和规定条件下完成规定功能的概率。条件下完成规定功能的概率。三三 可靠度可靠度R(t)R(t)17 1Fit1Fit的物理意义：指的物理意义：指1010亿个产品，在一小时内只亿个产品，在一小时内只允许有一个失效或每千小时只允许有百万分之一的

16、允许有一个失效或每千小时只允许有百万分之一的失效概率。失效概率。 1(1)h%(2)1000h(3)F it( )()( )( )( )( )n tn ttn ttNn ttNn tt （9）961 101 1011000Fithh（10） 四四 瞬时失效率瞬时失效率(t)(t)失效率失效率 1 1 定义：器件在定义：器件在t t时刻的失效率为器件工作到时刻的失效率为器件工作到t t时刻后，在单位时间内的失效率时刻后，在单位时间内的失效率 2 2 失效率的单位失效率的单位18 F(t): F(t):反映的是累计的失效率；反映的是累计的失效率；(t):(t):反映的是反映的是t t时尚未失效的器

17、件时尚未失效的器件, ,在单位时间在单位时间内的失效率；内的失效率；4 (t)4 (t)与与f(t)f(t)、F(t)F(t)和和R(t)R(t)间的关系间的关系( )( )(1)( )( )( )n tn tNtNn ttN t Nn t（11）( )( )( )( )1( )f tf ttR tF t（12）3 F(t)3 F(t)与与(t)(t)19(2 )( )t已 知则。 ( )( )ln( )( )( )dF tdR tdtdtdR ttR tdt f(t)（t)=且f(t)=R(t)R（t)=-（13）0( )( )1tt dtF te则则（15）0( )( )( )tt dtf

18、 tt e（16）0( )( )tt dtR te（14）且(2 )( )t已 知则20ttt ( )n t( )Nf t dt 设在设在 失效的器件数失效的器件数 为为001( )( )tNtf tdttf t dtN则则五五 产品的寿命特征产品的寿命特征1 1 平均寿命平均寿命某批产品寿命的平均值某批产品寿命的平均值 （1 1）不可修复产品：指失效前的工作或储存）不可修复产品：指失效前的工作或储存的平均时间。的平均时间。 （2 2）可修复产品：指两次相邻失效间，工作）可修复产品：指两次相邻失效间，工作时间的平均值，即平均无故障工作时间。时间的平均值，即平均无故障工作时间。21（1 1） 引

19、入寿命引入寿命“方差方差”概念的目的概念的目的了解随了解随机变量（寿命机变量（寿命t t）取值的分散程度。）取值的分散程度。 其为，器件寿命其为，器件寿命t t（随机变量）与平均寿命的（随机变量）与平均寿命的差值平方的平均值：差值平方的平均值： 220()( )ttf t dtlr2（2 2）寿命标准离差则）寿命标准离差则 取算术平方根。取算术平方根。2 2 寿命方差和寿命标准离差寿命方差和寿命标准离差22 （2 2）产品可靠度）产品可靠度r rL L=0.5=0.5时的可靠寿命称为中位寿时的可靠寿命称为中位寿命命, ,记作记作t t0.50.5， 0.50.5()()50%R tF t()R

20、lR tr（1 1）可靠度等于给定值）可靠度等于给定值r rL L时时, ,所对应的工作时间所对应的工作时间t t称为称为可靠寿命可靠寿命, ,记为记为t tR R； r rL L称为可靠水平称为可靠水平可靠寿命与可靠水平的关系可靠寿命与可靠水平的关系正好是产品失效一半时的时间正好是产品失效一半时的时间3 3 可靠寿命与中位寿命可靠寿命与中位寿命23 A A，早期失效期，早期失效期由产品本身由产品本身存在的缺陷造成；存在的缺陷造成； B B，偶然失效期，偶然失效期产品最好的工作期，失效率低且产品最好的工作期，失效率低且稳定近似为一常数稳定近似为一常数使用寿命期；使用寿命期； C C，损耗（老化

21、）失效期，损耗（老化）失效期产品使用后期，由于长产品使用后期，由于长期的磨损或疲劳使性能下降，造成失效迅速增加。期的磨损或疲劳使性能下降，造成失效迅速增加。2.3 2.3 器件的失效规律器件的失效规律2.3.1 2.3.1 普通元器件的失效规律普通元器件的失效规律 失效过程明显成失效过程明显成“浴盆状浴盆状”分三个阶段：分三个阶段：普通元器件典型失效率曲线普通元器件典型失效率曲线24半导体器件失效率曲线半导体器件失效率曲线2.3.22.3.2半导体器件的失效规律半导体器件的失效规律一一 半导体器件寿命长的原因半导体器件寿命长的原因 3 3 表面钝化技术的应用。表面钝化技术的应用。 281110

22、10cms 1 1 气密性良好，漏气速度小于气密性良好，漏气速度小于 2 2 不存在类似于热阴极等消耗，磨损部件；不存在类似于热阴极等消耗，磨损部件；25 只存在早期失效和偶然失效二个阶段，且在偶只存在早期失效和偶然失效二个阶段，且在偶然失效阶段，失效率低，还随然失效阶段，失效率低，还随t t有递降的趋势，不有递降的趋势，不存在老化失效阶段。存在老化失效阶段。 1 1 两种解释两种解释: :（1 1）认为老化期很长，各种寿命试验都无法观察）认为老化期很长，各种寿命试验都无法观察到老化失效；到老化失效； （2 2）认为目前的工艺技术水平还不足以使器件寿）认为目前的工艺技术水平还不足以使器件寿命延

23、长到老化失效阶段命延长到老化失效阶段, ,大多数失效是由于参数退大多数失效是由于参数退化引起的。化引起的。 v(t) (t) 随随t t而下降，提供了一条提高器件和整机而下降，提供了一条提高器件和整机可靠性水平的有效途径可靠性水平的有效途径 。 二二 (t)(t)与与t t的关系曲线的关系曲线260( )( )tt dttR tee 2.4 2.4 半导体器件常见的失效分布半导体器件常见的失效分布指数分布、威布尔分布和对数正态分布指数分布、威布尔分布和对数正态分布一一 指数分布指数分布( ) t常数0( )( )tt dtR te1 1 可靠度可靠度 在偶然失效阶段，假定失效率在偶然失效阶段，

24、假定失效率( )( )( )f ttR t( )( )tf tR te同时可得失效密度函数同时可得失效密度函数f(t)f(t)这即为指数分布的函数形式这即为指数分布的函数形式27v平均寿命平均寿命 t0( )ttf t dt01tt edt即即, ,失效率失效率 为常数时为常数时, ,失效率的倒数即为其平失效率的倒数即为其平均寿命均寿命 ( ) tv 指数分布时，只有指数分布时，只有一一个参数个参数,一旦确定，分布一旦确定，分布也就确定。也就确定。指数分布时的指数分布时的R(t)R(t)曲线曲线v 当当确定时，确定时，R(t)R(t)与与t t的的关系曲线是一负指数曲线关系曲线是一负指数曲线2

25、81tt1( )0.3737%tR tee（1 1）设）设则则 指数分布时，工作时间达平均寿命时只有指数分布时，工作时间达平均寿命时只有3737器件还能正常工作；器件还能正常工作；（2 2）若）若10tt 则则110( )90%R te 显然，器件工作时间愈短，可靠度愈高；工作显然，器件工作时间愈短，可靠度愈高；工作时间愈长，可靠度愈底，达平均寿命时，可靠度时间愈长，可靠度愈底，达平均寿命时，可靠度只有只有37%37%。 2 2 器件工作时间与可靠度的关系器件工作时间与可靠度的关系则100tt （3 3）若）若1100( )99%R te则则29（1 1）t t0 0 尺度参数，它决定尺度参数

26、，它决定 f(t)f(t)曲线的坡度，表示器件曲线的坡度，表示器件 寿命的长短，寿命的长短，t t0 0 越大，寿命越大，寿命 越长越长( (当当 m m 和和 确定时）。确定时）。 01( )mt rmtm trf tet1 威布尔分布的失度函数不同t0值威布尔分布的失效密度函数二二 威布尔分布威布尔分布 1 1 威布尔分布的失效密度函数威布尔分布的失效密度函数2 2 威布尔分布有威布尔分布有t t0 0、m m 和和 三三个参数个参数30 m1, m1 m1 时，曲线有一峰值，时，曲线有一峰值，m m 愈大，曲线愈陡；愈大，曲线愈陡； m3m3时时, ,可用来描述器件损耗（老化）失效阶段。

27、可用来描述器件损耗（老化）失效阶段。 m m1 1时，曲线为一负指数曲线时，曲线为一负指数曲线若若 m = 1m = 1、 = 0= 0、t t0 0 = t= t0 0 时时, ,01( ) tt则则 此时，此时，t t0 0 相当于平均寿命，可见指数分布相相当于平均寿命，可见指数分布相当于威布尔分布中当于威布尔分布中 m = 1,m = 1, = 0 = 0 的特例，可用的特例，可用来描述器件的偶然失效阶段。来描述器件的偶然失效阶段。32（3 3） 为位置参数，它决定曲线的起点位置为位置参数，它决定曲线的起点位置 不同不同 值的威布尔分布值的威布尔分布 值表示在不同的时刻器件开始有失效的可

28、能值表示在不同的时刻器件开始有失效的可能 威布尔分布的主要特点是威布尔分布的主要特点是(t)(t)随不同的随不同的m m值而值而变化，可描述失效分布的几个不同阶段。变化，可描述失效分布的几个不同阶段。33 式中，式中，u u 为对数中位寿命，为对数中位寿命， 为对数标准离差为对数标准离差 正态分布的正态分布的概率密度概率密度函数函数三对数正态分布三对数正态分布2221( )2x uf xex 1 1 正态分布的概率密度函数正态分布的概率密度函数x u|xu 在在 时，时，f(x) f(x) 有一极大有一极大 值；值； 愈大，则愈大，则f(x)f(x)愈小愈小; ; 2 2 对数正态分布：随机变

29、量对数正态分布：随机变量“X X” 本身不服从正态分布本身不服从正态分布, ,而他的对数服从正态分布而他的对数服从正态分布; ;22ln21( )2tuf tet对数正态分布的失效密度函数：对数正态分布的失效密度函数：3422ln20011( )( )2t uttF tf t dtedtt2ln21ln2t uxtuedx 式中式中 为标准正态分布函数为标准正态分布函数四，对数正态分布和四，对数正态分布和 的威布尔分布用图表的威布尔分布用图表 法求解。法求解。1m 3 3，对数正态分布时的累计失效率：，对数正态分布时的累计失效率：35 五五 可靠性各主要特征量之间的关系可靠性各主要特征量之间的

30、关系36第三章第三章 集成电路的失效机理集成电路的失效机理 3.1 3.1 集成电路的表面失效机理集成电路的表面失效机理任何一种任何一种ICIC都可以看成是由多种部件或多种材料都可以看成是由多种部件或多种材料组合而成的串联或串并联系统，在这系统中存在许组合而成的串联或串并联系统，在这系统中存在许多固相交界面。多固相交界面。37在温度（在温度（T T）、交变温度）、交变温度( (T T）、电压（）、电压（V V）、）、电流（电流（I I）、湿度（）、湿度（H H）等外界应力的作用下，）等外界应力的作用下，界面间发生固界面间发生固固扩散，离子电荷迁移，热电固扩散，离子电荷迁移，热电子注入，电化学腐

31、蚀，甚至出现龟裂等，从而子注入，电化学腐蚀，甚至出现龟裂等，从而导致界面的热、电、机械特性的缓慢变化，引导致界面的热、电、机械特性的缓慢变化，引起器件参数的不稳定和退化，以至彻底失效。起器件参数的不稳定和退化，以至彻底失效。38 3.1.1 Si-SiO3.1.1 Si-SiO2 2系统中的电荷系统中的电荷 现已公认，在Si-SiO2界面氧化层中存在着固定及可动的电荷，由于这些电荷浓度或位置的变化，调制了硅表面势，因此，凡是与表面势有关的各种电参数因此，凡是与表面势有关的各种电参数均受到调制。均受到调制。39一，一，Si-SiOSi-SiO2 2系统中的电荷及其对可靠性的影响系统中的电荷及其对

32、可靠性的影响 1. 1. 界面陷阱电荷界面陷阱电荷(Q(Qitit) )(ntece(ntece apped charge)apped charge)2. 2. 固定氧化物电荷固定氧化物电荷(Q(Qf f) )(xed Oxide Charge) (xed Oxide Charge) 3. 3. 可动离子电荷可动离子电荷(Q(Qm m) )(bile ionic charge)(bile ionic charge)4. 4. 氧化物陷阱电荷氧化物陷阱电荷(Q(Qotot) )xide apped charge40 1 1 固定电荷固定电荷Q Qf f固定电荷来源示意图固定电荷来源示意图正电荷正

33、电荷, ,电荷密度电荷密度 。 91121010 cm固定电荷是由固定电荷是由Si-SiOSi-SiO2 2界面附近过剩的界面附近过剩的SiSi离子或离子或者说是氧空位引起的，其存在于者说是氧空位引起的，其存在于SiOSiO2 2中，距中，距Si-Si-SiOSiO2 2界面约几十埃的范围内。界面约几十埃的范围内。41 特性特性 界面固定电荷密度与晶向关系界面固定电荷密度与晶向关系（1 1）固定电荷的面密度是固定的，不随外加偏压和）固定电荷的面密度是固定的，不随外加偏压和SiSi表面势变化；表面势变化； （2 2）SiOSiO2 2层厚度、层厚度、SiSi衬底掺杂类型及浓度（衬底掺杂类型及浓度

34、（1010141410101717/cm/cm3 3内）对内）对Q Qf f无明显影响；无明显影响； （3 3）在相似的工艺条件下，）在相似的工艺条件下，Q Qf f随晶体的取向而明随晶体的取向而明显变化，并按（显变化，并按（111111） （110110）(100)(100)顺序递减，近顺序递减，近似呈似呈3 3：2 2：1 1，如表所示；，如表所示；42 界面固定电荷密度与晶向关系界面固定电荷密度与晶向关系43（4) 4) 固定电荷密度固定电荷密度Q Qf f与工艺条件密切相关与工艺条件密切相关遵循遵循DealDeal三角形规律三角形规律Deal 三角关系(Deal Triangle)v斜

35、边代表了斜边代表了Q Qf f和氧化温和氧化温度的关系，温度越高，度的关系，温度越高，Q Qf f越小；越小；v垂直边表示氧化温度不垂直边表示氧化温度不变，只要改变气氛变，只要改变气氛(N(N2 2或或Ar)Ar)会使会使Q Qf f大大降低；大大降低；v底边表示不论氧化时温底边表示不论氧化时温度如何度如何,只要经过干氮或氩只要经过干氮或氩气退火气退火,就可以得到较低的就可以得到较低的Qf值。值。cDeal三角形44v影响 (1) (1) 使使mosmos结构的结构的C-VC-V曲线向负方向平移，而曲线向负方向平移，而不改变其形状不改变其形状; ; (2) (2) 由于由于Q Qf f固定，仅

36、影响阈值电压的大小，固定，仅影响阈值电压的大小，但不会导致阈值电压的不稳定。但不会导致阈值电压的不稳定。 45 原因：钠性质活泼；原因：钠性质活泼；含量高；在含量高；在SiOSiO2 2中的扩中的扩散数仅次于散数仅次于 H H ，比，比 B B、P P、As As 大近万倍。大近万倍。氧化层中杂质的扩散系数氧化层中杂质的扩散系数 2 2 可动离子电荷可动离子电荷Q Qm mv氧化层中的可动离子氧化层中的可动离子电荷电荷(Li(Li+ +、K K+ +、NaNa+ +等碱等碱金属离子和金属离子和H H离子等）离子等）其中以钠离子（其中以钠离子（NaNa+ +）影）影响最大响最大; ;46* *

37、引起引起PNPPNP管集电区反型产生沟道，使击穿电压降管集电区反型产生沟道，使击穿电压降低低, ,漏电流增大。漏电流增大。v 影响影响 (1) (1) 降低了降低了pnpn结击穿电压，增加了漏电流。结击穿电压，增加了漏电流。 PNPPNP管的场感应结及其击穿特性管的场感应结及其击穿特性 47 NPN NPN管的场感应结及其击穿电压管的场感应结及其击穿电压* * 引起引起NPNNPN管基区反型，产生沟道，导致管基区反型，产生沟道，导致TTLTTL电路电路多发射极晶体管交叉漏电流增加，使前级输出高多发射极晶体管交叉漏电流增加，使前级输出高电平降低以至失效；导致集电区表面电平降低以至失效；导致集电区

38、表面n+n+化，使击化，使击穿电压下降。穿电压下降。48(2) (2) 引起晶体管电流增益漂移；引起晶体管电流增益漂移； 理论分析指出，在厚度为理论分析指出，在厚度为d doxox的的SiOSiO2 2中，可动电荷密度为中，可动电荷密度为 （x x）时，）时，SiSiSiOSiO2 2 界面可界面可动有效净电荷密度为动有效净电荷密度为: : 01oxmToxxQxdxdF栅氧化层中的离子电荷栅氧化层中的离子电荷(3) (3) 引起引起MOSMOS器件阈值电压漂移；器件阈值电压漂移；49 式中，式中，Q Qf f为为SiOSiO2 2层中的固定电荷，层中的固定电荷，Q Qm m为层内可为层内可动

39、电荷密度，动电荷密度，Q QSDmaxSDmax为表面耗尽层最大电荷密为表面耗尽层最大电荷密度度,C,C0 0为单位面积的栅氧化层电容，为单位面积的栅氧化层电容， ms ms 为金属为金属半导体功函数差，半导体功函数差， F F为半导体衬底的费米电势。为半导体衬底的费米电势。 v在温度偏压作用下在温度偏压作用下 SiOSiO2 2 中可动离子电荷移中可动离子电荷移动动 （x x）变化变化 Q Qm m变化变化 V VT T 漂移。漂移。max02fmSDTmsFQQQVC 对对 N N 沟沟 MOS MOS 器件，其阈值电压器件，其阈值电压503 3 界面陷阱电荷界面陷阱电荷Q Qitit 快

40、表面态或界面态快表面态或界面态910 911211010 cm evv密度密度: :v起源于起源于SiSiSiOSiO2 2界面的结构缺陷、氧化感界面的结构缺陷、氧化感生缺陷以及金属杂质和辐射等因素引起的一生缺陷以及金属杂质和辐射等因素引起的一些缺陷。些缺陷。这种结构缺陷可接受空穴或电子而这种结构缺陷可接受空穴或电子而带一定电荷，即界面陷阱电荷。带一定电荷，即界面陷阱电荷。v电荷可能是正、负或者中性；可以与硅交电荷可能是正、负或者中性；可以与硅交换电荷，所带电荷状态取决于偏压换电荷，所带电荷状态取决于偏压51v Q Qitit 与与 Si Si 基片晶向有关，按（基片晶向有关，按（111)(1

41、10) 111)(110) (100)(100)递减递减 。v 影响影响v Q Qitit与工艺的关系与工艺的关系遵循遵循DealDeal三角形规律三角形规律 （1 1）干）干O O2 2氧化比湿氧氧化的氧化比湿氧氧化的 Q Qitit 大大 ； （2 2）氧化温度越低，）氧化温度越低，Q Qitit 越大；越大； （3 3）氧化后）氧化后 N N2 2 气氛中退火可降低气氛中退火可降低 Q Qitit; ; （1 1）小电流下的电流增益）小电流下的电流增益h hFEFE降低降低 ；（2 2）1/f1/f噪声增加；噪声增加；（3 3）MOSMOS器件的跨导和截止频率降低。器件的跨导和截止频率降

42、低。524. 4. 氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷Q Qot ot v主要来源：主要来源：Si-SiOSi-SiO2 2系统受到系统受到射线、射线、射射线、高能乃至低能各种辐射后产生的电子线、高能乃至低能各种辐射后产生的电子空穴对；也可以是雪崩或非雪崩下热载流子空穴对；也可以是雪崩或非雪崩下热载流子注入产生的电子空穴对。注入产生的电子空穴对。v Q Qotot可以是正电荷，也可以是负电荷，其可以是正电荷，也可以是负电荷，其取决于取决于SiOSiO2 2陷阱中俘获的是空穴还是电子。陷阱中俘获的是空穴还是电子。53v Q Qotot主要影响器件在宇宙空间和核环境中主要影响器件在宇宙空间和核环境中 的

43、应用。的应用。v Q Qotot与工艺的关系与工艺的关系 （1 1）Q Qotot可在可在 H H2 2 或者惰性气氛中退火减少或者惰性气氛中退火减少乃至消除。乃至消除。（2 2）使用抗辐射的介质膜作表面钝化膜，）使用抗辐射的介质膜作表面钝化膜，可以提高器件的耐辐射能力。可以提高器件的耐辐射能力。543.1.23.1.2热载流子注入效应热载流子注入效应v 热载流子热载流子能量比费米能级大几个能量比费米能级大几个KTKT以上以上的载流子。的载流子。v 热载流子与晶格不处于热平衡状态，当其热载流子与晶格不处于热平衡状态，当其能量达到甚至超过能量达到甚至超过 SiSiSiOSiO2 2 势垒（势垒（

44、3.1ev) 3.1ev) 时，时，便会注入到便会注入到 SiOSiO2 2中去中去, ,其中部分被其中部分被SiOSiO2 2中的陷中的陷阱俘获，这就是热载流子的注入效应。阱俘获，这就是热载流子的注入效应。55v 影响影响 PNPN结击穿电压结击穿电压的蠕变的蠕变1 1，PNPN结击穿电压的蠕变结击穿电压的蠕变（1 1）当测量）当测量PNPN结的雪崩击穿电压时结的雪崩击穿电压时, , 随着击穿时随着击穿时间的延长间的延长, ,击穿电压在缓慢增加或降低击穿电压在缓慢增加或降低, ,这种现象这种现象称为击穿电压的蠕变。称为击穿电压的蠕变。56（2 2）现已公认，）现已公认，PNPN结击穿电压的蠕

45、变是击穿过程结击穿电压的蠕变是击穿过程中热载流子向氧化层注入的结果。中热载流子向氧化层注入的结果。P+N结雪崩击穿时热载流子注入结雪崩击穿时热载流子注入v热载流子注入可以是多子注入，也可以是少子的热载流子注入可以是多子注入，也可以是少子的注入注入取决于取决于Si-SiOSi-SiO2 2界面的电场方向。界面的电场方向。v 例：例：57 2 2，N N沟道沟道MOSMOS器件中的热电子效应器件中的热电子效应沟道热电子示意图沟道热电子示意图v 引起引起MOSMOS器件阈值电压的漂移和跨导的下降器件阈值电压的漂移和跨导的下降58小结：小结： 由于由于Si Si SiO SiO2 2界面存在氧化物电荷

46、，引界面存在氧化物电荷，引起器件参数不稳定，其中，影响最大的为可起器件参数不稳定，其中，影响最大的为可动离子电荷（例如动离子电荷（例如 NaNa+ + ), ),为减少为减少SiOSiO2 2 中中NaNa+ +沾污和降低沾污和降低SiOSiO2 2中中NaNa+ +的活性的活性, ,在工艺中采取在工艺中采取钝化措施。钝化措施。 钝化主要从三方面进行：钝化主要从三方面进行： (1) (1) “无无NaNa” SiO SiO2 2的生长；的生长； (2) (2) 减弱减弱NaNa+ +的活性；的活性； (3) (3) 防止芯片制成后防止芯片制成后NaNa+ +的二次沾污。的二次沾污。593.2

47、金属化系统3.2.1 铝的电迁移定义：当直流电流流过金属薄膜时，导电电子与金属离子将发生动量交换而引起金属离子的迁移，这种现象称为金属的电迁移。 铝膜的电迁移现象1966年由 Blech 和Sello发现。60 硅平面工艺中，用蒸发或溅射方法制备的金属薄硅平面工艺中，用蒸发或溅射方法制备的金属薄膜是多晶膜膜是多晶膜; ;一一 金属薄膜的缺陷和扩散金属薄膜的缺陷和扩散溅射过程示意图溅射过程示意图61淀积薄膜的过程淀积薄膜的过程62AlAl和和AuAu金属膜的晶粒尺寸金属膜的晶粒尺寸v 金属膜的晶粒直径取决于膜生长时衬底材料的金属膜的晶粒直径取决于膜生长时衬底材料的温度及生长后的退火温度和时间；温

48、度及生长后的退火温度和时间；a a631 1，金属薄膜中存在的缺陷，金属薄膜中存在的缺陷 缺陷：实际晶体结构中与理想点阵结构发生偏缺陷：实际晶体结构中与理想点阵结构发生偏差的区域。差的区域。（1 1）点缺陷）点缺陷零维缺陷（空位、间隙原子和杂零维缺陷（空位、间隙原子和杂质原子等）质原子等）（2 2）线缺陷）线缺陷一维缺陷（位错等）一维缺陷（位错等）（3 3）面缺陷）面缺陷二维缺陷（晶粒间界二维缺陷（晶粒间界多晶体内多晶体内不同取向的晶粒界面）不同取向的晶粒界面） 这些缺陷在空间中有明确可辩的图象，在时间这些缺陷在空间中有明确可辩的图象，在时间上也具有一定的延续性，所以，在一定程度上可上也具有一

49、定的延续性，所以，在一定程度上可以将这些缺陷当作独立的个体对待。以将这些缺陷当作独立的个体对待。642, 2, 空位和晶界空位和晶界1expfhuCAK Tv 在热力学平衡状态下，金属膜的空位浓度：在热力学平衡状态下，金属膜的空位浓度： 式中式中,u,uf f 为空位形成能（为空位形成能（ev), Aev), A1 1为与形成一为与形成一个肖特基空位激活熵有关的常数。个肖特基空位激活熵有关的常数。(1)(1)空位空位v 定义：如在晶体中抽去处在正常格点上的原子，定义：如在晶体中抽去处在正常格点上的原子，放到晶体表面上去，就形成所谓的肖特基空位。放到晶体表面上去，就形成所谓的肖特基空位。65 C

50、 C点称为鞍点（点称为鞍点（saddle point), saddle point), 鞍点和正鞍点和正常空位点的能量差为空位移动的激活能常空位点的能量差为空位移动的激活能U Um m ; ;空位运动过程空位运动过程v 空位是可以在晶格中移动的：空位是可以在晶格中移动的：66 式中式中,A,A2 2为决定于移动激活熵的常数为决定于移动激活熵的常数,Z,Z1 1为配位为配位数。数。210exp(/)mA ZUKTv 空位的自扩散空位的自扩散 i, i,空位以频率空位以频率在晶体中的无规则运动称为晶体在晶体中的无规则运动称为晶体中空位的自扩散；空位的存在是产生自扩散的条件。中空位的自扩散；空位的存

51、在是产生自扩散的条件。/mUKTeii,ii,若原子的振动频率为若原子的振动频率为，每次振动跃过势，每次振动跃过势垒垒U Um m的概率为的概率为 ，则空位移动频率，则空位移动频率为：为：67v定义定义: : 多晶体内多晶体内, ,不同取向的晶粒界面，称为晶粒不同取向的晶粒界面，称为晶粒间界，简称晶界。间界，简称晶界。 i,i,晶界处结构疏松，位错密度大晶界处结构疏松，位错密度大, ,空位浓度高；空位浓度高； ii,ii,金属多晶膜的内吸附特性金属多晶膜的内吸附特性, ,使外来的杂质沉积使外来的杂质沉积于晶界处；于晶界处； iii,iii,晶界一般很薄晶界一般很薄, ,不超过不超过2-32-3

52、个原子层。个原子层。(2) (2) 晶界晶界68 3. 3. 多晶材料固态扩散有三个途径：多晶材料固态扩散有三个途径： (1) (1) 晶格扩散晶格扩散( (或体扩散或体扩散),),扩散系数扩散系数 D DL L (2) (2) 晶界扩散晶界扩散, ,扩散系数扩散系数 D DGBGB (3) (3) 表面扩散表面扩散, ,扩散系数扩散系数 D DS S。 v 一般认为一般认为 D DS S D DGB GB D DL L 扩散激活能扩散激活能 Q QS S Q QGB GB Q QL L金属薄膜中三种扩散金属薄膜中三种扩散途径示意图途径示意图 AlAl、AuAu金属薄膜的扩散激活能（金属薄膜的

53、扩散激活能（evev）69v 实验发现，这三种扩散均是各向异性的，杂质的存在对扩散速率有影响，这种影响可以加速扩散，也可以减缓扩散。一般来讲，杂质与金属原子若发生反应，便可减缓扩散；若杂质的加入可以引入新的缺陷，便可以加速扩散。70二，电迁移的离子流密度二，电迁移的离子流密度 J = NV (1) J = NV (1) 式中，式中， V = F (2)V = F (2) 这里，这里，N N为粒子流密度，为粒子流密度，V V为离子运动速度为离子运动速度,为离子迁移率为离子迁移率,F,F为作用在离子上的力为作用在离子上的力 F = FF = Fq q+F+Fe e = q= q（Z-ZZ-Z）E

54、= qZE = qZ* *E (3)E (3) 式中，式中，F Fq q 为电场力，为电场力，F Fe e 为载流子（电子）与金为载流子（电子）与金属离子间动量交换产生的摩擦力属离子间动量交换产生的摩擦力;Z;Z* *相当于有效的相当于有效的原子价数原子价数,Z,Z* *q q称为有效电荷。称为有效电荷。71 式中，式中，D D0 0为扩散常数，为扩散常数，Q Qb b为扩散激活能，为扩散激活能，f f为取决为取决于晶格类型的修正因子。于晶格类型的修正因子。 此式即为电迁移离子流方程。此式即为电迁移离子流方程。*0exp(/)bN DQK TJqZjfK T (7) (7) E = j (4)

55、 E = j (4)*0exp(/)bDDQKT 自扩散系数自扩散系数*DfKT 迁移率迁移率 F = q Z F = q Z* *j (5)j (5) 式中，式中，j j 为电子流密度，为电子流密度，为电阻率为电阻率 则，则， J = NF = NqZJ = NF = NqZ* *j (6)j (6)72 各种金属的有效原子价数各种金属的有效原子价数Z* 1 1，ICIC常用的金属常用的金属AlAl和和Au,Au,其其Z Z* *0 0, 0, 说明说明“电子风电子风”导致导致金金 属离子向负电极方向移动；属离子向负电极方向移动；5, Pt 5, Pt 、 Co Co 的的 Z Z* *很小

56、，抗电迁移能力很强。很小，抗电迁移能力很强。73 1bQKT2()bBQJJTBKT即即则则(10)(10)三，离子流散度三，离子流散度 式（式（7 7）中，）中，N N、D Do o、f f、Z Z* *和和等参数均与金属薄膜微结等参数均与金属薄膜微结构的变化有关，与结构有关的项用构的变化有关，与结构有关的项用B B表示，则（表示，则（7 7）式可表）式可表示为示为exp(/)bBjJQKTT(8)(8) 21exp()()bbBjQBQJTTKTBKTT则则(9)(9)21bQKTT0.5,30020bbQQev TkKT时，一般认为一般认为( (例例: : ） 若认为若认为Q Qb b为

57、常数为常数21()exp(/)bbBjQJBTQKTTBKT或或 (11)(11)740B1, 1, 是由膜的结构无规性造成的。是由膜的结构无规性造成的。S（1 1）金属薄膜晶粒尺寸梯度）金属薄膜晶粒尺寸梯度 的存在；的存在；（2 2）三相点）三相点三个晶界结点的存在。三个晶界结点的存在。0S 0J2 2，薄膜的电迁移主要发生在晶粒间界处。，薄膜的电迁移主要发生在晶粒间界处。 在微小晶粒和粗大晶粒交界处，在微小晶粒和粗大晶粒交界处， （与结构（与结构 有关的平均晶粒尺寸有关的平均晶粒尺寸S S的梯度）使的梯度）使 出出 现净质量的堆积和亏损现净质量的堆积和亏损。实验发现：实验发现：75 三相点

58、示意图三相点示意图112233coscoscos0DDD0J 3, 3, 三相点即三个晶粒交会处，为了使离子流平衡三相点即三个晶粒交会处，为了使离子流平衡 即即 则必须有则必须有 式中，式中，为离子沿晶界扩散方向与电场方向之为离子沿晶界扩散方向与电场方向之间的夹角间的夹角, ,由于由于D D1 1、D D2 2、D D3 3 之间的差异，上式很难之间的差异，上式很难满足，所以，金属薄膜三相点往往是散度源。满足，所以，金属薄膜三相点往往是散度源。76 总之：总之： 通常金属薄膜的离子流散度不为零时会发生金属通常金属薄膜的离子流散度不为零时会发生金属薄膜的电迁移。薄膜的电迁移。 引起离子流散度不为

59、零的因素，主要是薄膜的结引起离子流散度不为零的因素，主要是薄膜的结构梯度和温度梯度。这些结构梯度有时和温度梯构梯度和温度梯度。这些结构梯度有时和温度梯度叠加使影响增大。度叠加使影响增大。 实际金属化系统往往电流密度梯度、温度梯度和实际金属化系统往往电流密度梯度、温度梯度和材料的结构梯度三者都起作用，影响就更为复杂。材料的结构梯度三者都起作用，影响就更为复杂。 适当控制这些梯度的大小，理论上是可以获得电适当控制这些梯度的大小，理论上是可以获得电迁移寿命很长的金属薄膜的。迁移寿命很长的金属薄膜的。77四，电迁移平均失效时间四，电迁移平均失效时间MTFMTF（ Median time to Medi

60、an time to failure failure ） MTF MTF 反映器件表面金属化抗电迁移的能力反映器件表面金属化抗电迁移的能力 严格地讲，应译成严格地讲，应译成“中值失效前时间中值失效前时间”，简称，简称t t5050。 T T5050是指一组同样的金属薄膜，在同样的测试或工是指一组同样的金属薄膜，在同样的测试或工作条件下，使作条件下，使5050金属薄膜失效所需要的时间。金属薄膜失效所需要的时间。 失效的判据为薄膜电阻增大失效的判据为薄膜电阻增大100100。781MTFJ 作为一级近似作为一级近似 （1212）W dM TFJ Black Black证明，证明，MTFMTF正比于