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探针台进行芯片失效分析:EM 电迁移; TDDB 与时间相关的电介质击穿; HCI 热载流子注入效应; SM 应力迁移(ZZ)
发布日期:2018-8-30   点击次数:701


电迁移 EM(electromigration) 

电迁移(EM)是微电子器件中主要的失效机理之一,电迁移造成金属化的开路和短路,使器件漏电流增加。在器件向亚微米、深亚微米发展后,金属线的宽度不断减小,电流密度不断增加,更易于因电迁移而失效。因此,随着工艺的进步,EM的评价备受重视。 

导致电迁移的直接原因是金属原子的移动。当互连引线中通过大电流时,静电场力驱动电子由阴极向阳极运动,高速运动的电子与金属原子发生能量交换,原子受到 猛烈的电子冲击力,这就是所谓的电子风力。但是,事实上金属原子同时还受到反方向的静电场力。当互连线中的电流密度较高时,向阳极运动的大量电子碰撞原 子,使得金属原子受到的电子风力大于静电场力。因此,金属原子受到电子风力的驱动,使其从阴极向阳极定向扩散,从而发生电迁移。

电迁移是金属线在电流和温度作用下产生的金属迁移现象,它可能使金属线断裂,从而影响芯片的正常工作。电迁移在高电流密度和高频率变化的连线上比较容易产生,如电源、时钟线等。为了避免电迁移效应,可以增加连线的宽度,以保证通过连线的电流密度小于一个确定的值。

通常EMI效应引起的问题是电源网格电阻增加,从而导致IR降增加,从而影响电路时序。

与时间相关电介质击穿 TDDB(time dependent dielectric breakdown )

在栅极上加恒定的电压,使器件处于积累状态。这就是一般所说的TDDB(time dependent dielectric breakdown )。经过一段时间后,氧化膜就会击穿,这期间经历的时间就是在该条件下的寿命。


热载流子注入效应HCI (hot carrier injection)

随着芯片尺寸的减小,芯片的供电电压、工作电压并没有相应减少很多,所以相应的电场强度增加了,导致了电子的运动速率增加。当电子的能 量足够高的时候,就会离开硅衬底,隧穿进入栅氧化层,从而改变阈值电压。这种效应会增加NMOS的 阈值电压,减小PMOS的阈值电压。并影响其它的参数包括VTgmStIdsat等,并产生长期的可靠性问题。

热载流子退化效应(HCE)载流子在强场强的作用下能量大大增加,其等 效温度Te超过晶格温度T时的载流子称为热载流子.热载流子的注入引起MOS器件性能退化,如热载流子能量较高,有可能穿过SiO2界面形成栅电 流


应力迁移 SM (Stress migration)

一直以来公认电迁移是一个很大的问题 ,但是在 1 984年的《国际可靠性物理论丛》(International Reliability Physics Symposium) ,初次报告了一种和电迁移不同的新的不良类型,配线不通电 ,只在高温 (约 1 0 0℃以上 )放置就会出现断线 ,主要原因是金属配线 (Al)和绝缘膜 (Si O2 )的热膨胀率相差很大 (d A1 =2 .5× 1 0 7/ K,d Si O2 =0 .5× 1 0 6/ K) ,从而引起热应力缺陷 ,应力迁移由此而被命名.


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