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半导体MOS器件四种常见失效机理如下:

EM、TDDB 、NBTI、HCI;其中,EM 和 TDDB 会导致随机的崩溃性失效,NBTI 和 HCI 主要呈现为性能逐渐降低。

1、EM--Electron Migration,电子迁移

随着半导体器件的尺寸不断缩小、集成度不断的提高,半导体器件工作时的电流不断增加,电迁移效应成为半导体器件可靠性的瓶颈之一。

电迁移效应是指半导体器件中的集成电路工作时金属线内部有电流通过,在电流的作用下金属离子产生物质运输的现象。由此,金属线的某些部位会因该电迁移现象而出现空洞(void),进而发生断路,而某些部位会因该电迁移现象而出现小丘(hillock),进而造成电路短路。另外,温度越高,电子流动所产生的作用就越大,其彻底破坏IC内一条通路的时间就越少,即IC的寿命也就越短,这也就是高温会缩短IC寿命的本质原因。

 2、 TDDB-Time Dependent dielectric Breakdown,与时间相关电介质击穿 / 经时击穿

TDDB测试主要方法是在MOS电容上进行应力加速测试。

电压应力加速实验通常有(1)恒定电流法(CCS),(2)恒定电压法(CVS),(3)斜坡电压法(RVS)和(4)斜坡电流法(RCS)等几种测试方法。

一般选用恒定电压法来做经时效应的测试。恒压法是在保证电应力不变的状态下提取器件参数,可以在稳定电压的同时改变温度状况。

3、NBTI --Negative-Bias Temperature Instability,负偏置温度不稳定性

NBTI效应是指在高温下对PMOSFET施加负栅压而引起的一系列电学参数的退化(一般应力条件为125℃恒温下栅氧电场 ,源、漏极和衬底接地)。

NBTI效应的产生过程主要涉及正电荷的产生和钝化,即界面陷阱电荷 和氧化层固定正电荷 的产生以及扩散物质的扩散过程,氢气和水汽是引起NBTI的两种主要物质。传统的R-D模型将NBTI产生的原因归结于pMOS管在高温负栅压下反型层的空穴受到热激发,隧穿到硅/二氧化硅界面,由于在 界面存在大量的Si-H键,热激发的空穴与Si-H键作用生成H原子,从而在界面留下悬挂键,而由于H原子的不稳定性,两个H原子就会结合,以氢气分子的形式释放,远离 界面向 /栅界面扩散,从而引起阈值电压的负向漂移 。

4、HCI--Hot Carrier Injection,热载流子注入

一般用于N性MOSFET;HCI属于退化失效,失效应力为电压应力,

失效模型

MOS器件中的热载流子主要分为沟道热载流子(CHE)衬底热载流子(SHE)漏雪崩热载流子(DAHC)二次产生热电子(SGHE)

1)沟道热载流子(CHE):当Vgs=Vds时,部分电子在漏端附近的沟道中高能电场作用下形成幸运电子,幸运电子是那些沟道中获得足够翻越Si-SiO2势垒的能量,且没有受到任何能量瞬时碰撞的电子。它们在注入氧化层的过程中会在Si-SiO2界面形成界面陷阱,并且部分热载流子被氧化层的电荷陷阱捕获,使器件发生退化。

2)衬底热载流子(SHE):NMOS器件中,当Vds=Vbs, Vgs>>VT,在衬底与源、漏、沟道之间有反向电流流过。衬底中的电子被耗尽区的电场拉出并加速向沟道运动,当电场足够高时,这些电子就有了足够的能量可以到达Si-SiO2界面,并注入到SiO2中。

3)漏极雪崩热载流子(DAHC):沟道热电子在漏区边缘的强电场中,发生雪崩倍增,产生新的电子和空穴。这些新产生的电子和空穴就是漏区雪崩倍增热载流子。在电场作用下,电子扫入栅区和部分进入氧化层,空穴扫入衬底,形成衬底电流。实际栅电流-栅电压曲线中,当电压超过2V后,此效应将占主导地位,当电压超过6.5V,此效应将给器件带来很大的影响。

4)二次产生热电子(SGHE):由于碰撞电离在漏极附近发射的光子,与热空穴发生二次碰撞电离,从而出现新的电子和空穴,相应的衬底电流和漏极电流。

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