【整理中】IC 失效机理（CMOS工艺）

IC  四种常见失效机理如下：

EM     -- electron migration，电子迁移
TDDB -- time dependent dielectric breakdown，与时间相关电介质击穿 / 经时击穿
NBTI  -- negative-bias temperature instability，负偏置温度不稳定性
HCI    -- hot carrier injection，热载流子注入
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。

参考 JEDEC JEP-001 标准。

 

1、EM (electron migration，电子迁移)

“电子迁移”是50年代在微电子科学领域发现的一种从属现象，指因电子的流动所导致的金属原子移动的现象。因为此时流动的“物体”已经包括了金属原子，所以也有人称之为“金属迁移”。

在电流密度很高的导体上，电子的流动会产生不小的动量，这种动量作用在金属原子上时，就可能使一些金属原子脱离金属表面到处流窜，结果就会导致原本光滑的金属导线的表面变得凹凸不平，造成永久性的损害。

这种损害是个逐渐积累的过程，当这种“凹凸不平”多到一定程度的时候，就会造成IC内部导线的断路与短路，而最终使得IC报废。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、NBTI 、HCI、TDDB

MOSFET是当前最主要的 IC 工艺， 这三个效应 和 MOSFET 工作机理密切相关。

MOSFET工作原理：一个门极(Gate)靠静电势控制底下的导电沟道深度，电势高形成深沟道电流就大，电势低沟道消失就不导电了。
门极 和 沟道 中间需要绝缘介质隔开。最简单的做法是把硅氧化做二氧化硅，但二氧化硅和基板硅之间附着差，容易产生Si-H键等 其他 界面形态。

 

在量子力学里，量子隧穿效应为一种量子特性，是指电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象。这是因为根据量子力学，微观粒子具有波的性质，而有不为零的概率穿过位势障壁。VLSI 开始 IC 中的量子效应不再能忽略。

1）Si-H键 

由于量子隧穿效应的存在，沟道中流动的电子会有一定几率移动到SiOH层去。Si−H键 相对容易断，电子一隧穿到SiOH层，就有几率把这个键打断，这时候就产生断键和游离氢原子。断键会使得 threshold voltage 提高，这就是为什么断键会使芯片变慢，因为导通电流低了，升压就慢。

断裂的Si-H键是可以自恢复的，所以基于断键的老化效应都有恢复模式。【注：DC应力 和 AC应力机选需要考虑该效应。测试是DC应力下可靠性时也需注意】
对于NBTI效应来说，加反向电压就会进恢复模式；对于HCI效应来说，停止使用就进入恢复模式。但是这两种方式都不可能长时间发生，所以总的来说，芯片是会逐渐老化的。

2）Si−O键

Si−O键 虽然更稳固，但也会断，断后会形成一个可导电的点。

随着使用，随机断裂到一定时间以后，断裂的Si-O键会形成一个从沟道联通门极的导电旁路，管子就击穿了，这就是TDDB的危害。

3）失效应力

时间（时间积累）、温度（温度越高失效也快）、电应力（电压）；

 

其他：

1）HKMG 工艺 对可靠性的影响

    旧工艺为提升速度，需通过 削薄二氧化硅层，会恶化 IC 可靠性。

    High-K Metal Gate（HKMG）技术后，可不再削薄电介质层，对该问题有改善。

 

【参考文档】

1) https://www.zhihu.com/question/21385054  【入门】CPU 真的会老化？具体表现是什么？

2) https://blog.csdn.net/stpallas/article/details/50594523  【基础】IC老化问题

3) https://wenku.baidu.com/view/8fe8a1c6a5e9856a571260bc.html 【深入】半导体集成电路可靠性测试及数据处理

4) https://wenku.baidu.com/view/ac2502dea2161479171128e2.html 【深入】ULSI栅氧化层可靠性(GOI)测试

 

【引用请声明出处，yvivid】https://www.cnblogs.com/yvivid/p/reliability_ic.html