方寸知识篇 — 芯片的失效机理

下面介绍几个于芯片有关的失效机理。

1，热载流子注入效应，热流子是指其能量比费米大几个KT以上的载流子，这些载流子与晶格不处于热平衡状态，当其能量达到或超过Si/SiO2界面势垒时就会注入氧化层中，产生界面态、氧化层陷阱或被陷阱所俘获，使氧化层电荷增加或波动不稳，这就是热载流子效应。由于电子注入时所需能量比空穴低，因此一般不特别说明的热载流子多指热电子，双极器件与MOS器件中均存在热载流子注入效应。

大多数可靠性试验证明，环境温度越高，器件退化越严重。而热载流子注入效应的情况则相反，温度越低，热载流子注入效应越明显。这是因为低温下，Si原子的震动变弱，衬底中运动的电子与硅原子间的碰撞减少，电子的自由程增加，从电场中获得的能量增加，容易产生热电子，提高注入氧化层的概率。另外也容易发生碰撞产生二次电子，这些二次电子也可以成为热电子，使注入到氧化层的热电子进一步增多，这就导致低温下热电子注入效应的增强。其次，为防止外界水分杂质等的侵入，芯片外还有一层起保护作用的钝化膜。钝化膜原用磷硅玻璃，目前多采用等离子体氮化硅膜。这种膜中含有氢，氢的原子半径极小，极易扩散进入栅下Si/SiO2界面处，取代氧与硅形成硅化物。这种硅化物的键能小，容易被热载流子打断，形成氧化层陷阱电荷或界面态，产生热载流子注入效应。针对这一问题，可用化学气相沉积的氮化硅膜保护栅氧区防止氢原子扩散。

解决办法一是考虑使用计算机模拟技术，二是对CV理论进行修正，即准恒定电压理论，满足开启电压可控及高电场效应足够小两方面的要求。

2，与时间有关的栅介质击穿。氧化层的击穿机理，目前认为可分为两个阶段，一是建立阶段，在电应力作用下，氧化层内部及si/sio2界面处发生缺陷的积累，积累的缺陷达到一定程度后，使局部区域的电场达到某一临界值，转入第二阶段，在热、电正反馈作用下，迅速使氧化层击穿。栅氧寿命由第一阶段中的建立时间所决定。对电应力下氧化层中及界面处产生的缺陷，一般认为是电荷引起的。解决办法是控制原材料中碳氧等杂质的含量，防止污染，使Si/SiO2界面平整，然后再正常生长SiO2层，可以使用CVD生长SiO2或掺氮氧化以改进栅氧质量。

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