Материал: Физика деградационных процессов в компонентах МОП СБИС. Акулинин С.А., Минаков С.А

нейно растущем напряжении и времязависимом пробоем (2.31), были проведены испытания на окисле c толщиной

125 Å.

Как видно из рис. 2.1, существует очень хорошее согласие между экспериментальными результатами и расчетом.

Экспериментальные результаты были получены при 7,8 В (для испытаний при постоянном напряжении) и 1,0 В/с (для испытаний при линейно увеличивающемся напряжении) для 125 Å окисла (U+ поле на подложке р-типа с ориентацией [100] , смещенной в режим аккумуляции). Каждая точка представляет напряжение пробоя и время до пробоя для определенного кумулятивного процента отказов.

Испытания на принудительный отказ. Другое важное применение (2.15) – моделирование влияния испытаний на принудительный отказ на последующий срок службы окисла /43/. При добавлении ступени испытаний на принудительный отказ, условия пробоя (2.15) – просто сумма повреждений, вводимых во время "выжигания", BI, и тех, которые вводятся

при этом окисел подвергается "выжиганию" при VBI, Вольт, и IBI, Кельвин, для tBI, сек, и имеет последующий срок службы

tOP при VOP, Вольт, и TOP, Кельвин.

Решая (2.32б) относительно срока службы tOP, можно определить влияние данных условий "выжигания" на последующий срок службы прибора:

Первоначальный срок службы при 5,5 В, 125 С Рис. 2.3 Представление результатов рис 2.2 в терминах договечности при рабочих условиях. Результаты испытаний на линейной развертке

Сравнивая (2.33б) и (2.17), видим, что первые два произведения дают первоначальное время жизни окисла, т. е. срок службы без "выжигания". Следовательно, величина, заключенная в квадратные скобки в (2.33б) соответствует части пер-

73

воначального срока службы окисла, остающейся после испытаний на принудительный отказ. Эта величина представлена на рис. 2.2 как функция Xeff, так же как соответствующее напряжение пробоя на линейном развертывающем напряжении [используя (2.28)] и ожидаемое время жизни при 5.5 В и 125 оС перед "выжиганием" [используя (2.17)].

Как показано на рис. 2.2, только небольшая часть образцов уцелеет после "выжигания", т.е. для 7 В "выжигания" все окислы, имеющие пробивные напряжения между 11,5 В и 12 В, как прогнозируется, должны быть значительно повреждены в период "выжигания". Такой же вывод следует из сравнения ожидаемого срока службы после "выжигания" с первоначальным сроком службы окисла перед "выжиганием", как показано на рис. 2.3: из окислов, остающихся после "выжигания", только те, которые имеют срок службы в пределах половины одной декады, имеют значительно уменьшенный срок службы (т.е. сокращение более чем на 10 % от первоначального срока службы) после "выжигания".

Для проверки влияния "выжигания" на последующую прочность окисла, 125 Å окислы (100 мкм2) подвергались испытаниям на "выжигание" с последующим напряжения пробоя VBD на линейной развертке. В соответствии с (2 измерением.25) и (2.28) условия пробоя для этого эксперимента:

1=[ BI/ o(TBI)]exp[–G(TBI)tox/VBI]+3,6 108[VBD2/(VsR)]

Четыре различных образца были испытаны для каждого режима "выжигания". Среднее напряжение пробоя для четырех образцов для каждого теста представлено на рис. 2.4, а как функция напряжения "выжигания". Также показаны предсказанные моделью результаты. Более внимательный анализ перехода от устойчивых окислов (нормальные VBD) к сильно поврежденным окислам (очень низкие VBD) показывает, что только незначительное число окислов повреждается при "выжигании", как следует из (2.34) и показано на рис. 2.4, б. Сред-

74

нее напряжение пробоя для четырех окислов, подвергнутых идентичным испытаниям на принудительный отказ представлено на графике (а). Интервалы на рис. (б) показывают полный диапазон измеренных пробивных напряжений для четырех окислов, тестируемых при каждом

3. Влияние масштабирования на отказы СБИС 3.1. Основные алгоритмы масштабирования

Масштабирование размеров интегральных приборов и топологии были движущей силой развития технологии. В табл. 3.1 представлены два алгоритма масштабирования для размера приборов и параметров материалов /44/

Первый алгоритм характеризует идеальное масштабирование и второй - реальное уменьшение, используемое для получения увеличенной плотности схем без введения добавочных электрических напряжений на транзисторы с минимальной длиной канала.

Табл. 3.2 показывает влияние масштабирования на электрические параметры приборов для двух алгоритмов табл. 3.1.

Таблица 3.1 Влияние идеального масштабирования и компромиссного уменьшения размеров приборов и параметров материалов

Таблица 3.2 Влияние размеров масштабирования для алгоритмов табл. 3.1 на электрические параметры приборов. Представлены

случаи масштабированных и немасштабированых напряжений

*- случай насыщенной скорости: колонка справа для предельного насыщения

**- улучшенные характеристики: продолжительность продолжительность цикла постоянна

3.2.Влияние масштабирования на среднюю наработку

до отказа Комбинация размеров масштабируемых приборов и па-

раметров материалов и результирующие электрические параметры могут быть введены в модели механизмов отказов для того, чтобы предсказать тенденции в надежности и будующее влияние каждого механизма отказа. Рассматривается влияние масштабирования на электромиграцию, пробой окисла, инжекцию горячих носителей и вызванные радиацией программные ошибки.

Злектромиграция. Электромиграция - транспорт ионов проводящего металла, возникающий от прохождения электрического тока. Она является модификацией температурноактивируемого процесса самодиффузии, вызванного передачей момента от электронов проводимости /44/. Отказ осуществляются в металлических линиях или когда положительная дивергенция потока ионов приводит к аккумуляции вакансий и непосредственно к обрыву схемы, или когда отрицательная дивергенция приводит к образованию холмов и в конце концов к замыканию между расположенными рядом или пере-

77

крывающими друг друга слоями металлизации. Наработка до отказа по отношению к электромиграции для металлизации и контактов следует общей форме:

где j - плотность электрического тока; EA - энергия активации; k -постоянная Больцмана; T - абсолютная температура.

Поперечное сечение металлизации и контактов сокращается пропорционально квадрату коэффициента масштабирования. Для наихудшего случая немасштабированного напряжения ток увеличивается линейно с коэффициентом масштабирования и следовательно плотность тока увеличивается как куб коэффициента масштабирования. Для металлических проводников существует добавочная линейная зависимость коэффициента масштабирования от ширины линии, так что отношение масштабированного к немасштабированному времени наработки до отказа следующим образом зависит от коэффициента масштабирования:

для отказа, обусловленного электромиграцией,

MTTFs/MTTFu=1/k7. (3.2)

Контакты металлизации к диффузионным областям могут также отказывать выше описанным способом в точках минимального покрытия металлом ступени контактного окна

/44/.

Механизм отказов типа обрыв металла на ступенях имеет раздельные коэффициенты для обоих ширины контакта и покрытия ступеньки. Для квадратных контактов в диапазоне от 1,5 мкм до 3,0 мкм следующие соотношения были найдены эмпирически:

отказы в контактных окнах из-за электромиграции

Энергия активации для обоих процессов для Al-Si металлизации 0,5 эВ.

78

Добавочный механизм отказа вследствие электромиграции может преобладать в контактах к мелким диффузионным переходам, который обуславливается непрерывным процессом электромиграции кремния из контакта под действием потока электронов и последующей обратной диффузией Al в пустоты до тех пор, пока утечка не осуществляется /44/. Механизм отказа контакта, обусловленный током утечки имеет квадратичную зависимость от глубины p-n-перехода и, вследствие оттеснения тока, линейную зависимость от раcтояния до края контакта. Плотность тока, которая должна быть использована в этом случае является линейной приведенной к краю плотностью тока. Эмпирически, зависимость времени наработки до отказа для механизма отказа, связанного с утечкой, от масшбирования тогда должна иметь следующий вид:

Энергия активации для электромиграции кремния из контакта 0,9 эВ.

Пробой окисла. Интенсивность отказов, связанная с окислом, имеет очень сильную полевую зависимость, и относительно слабую температурную зависимость (0,3 эВ). Исторически, для широкого диапазона технологий окисла и толщин при небольшом проценте отказов, временная зависимость отказов имеет типичное ускорение мегавольт на сантиметр при низких рабочих полях /44/. Следовательно, для того же самого распределения дефектов, масштабирование толщины окисла при неизменном напряжении будет давать более высокую скорость отказа и следовать соотношению

где V/Tох выражается в МВ/см.

Это очень высокое полевое ускорение совместно с резко падающей скоростью отказов окисла приводит к отбраковке ИС приборов со слабым окислом кратковременными испытаниями при повышенных рабочих напряжениях. Однако так как масштабирование продолжается в сторону уменьшения тол-

79

щины и дальше, нормальные рабочие поля могут приблизиться к тем, которые характерны для собственной деградации (старение) и коэффициент полевого ускорения сильно сокращается /44/. Коэффициент полевого ускорения для 100 A окислов был сообщен на уровне 100 MВ/см /44/. Отбраковка скрытых дефектов при этих высоких нормальных полях имеет ограниченную эффективность вследствие низких ускоряющих факторов и может даже ухудшать характеристики надежности вследствие износа окисла.

Деградация окисла характеризуется для данной технологии количеством заряда, которое может пройти через этот окисел при данном приложенном поле, перед тем как осуществится пробой. Ток Фаулера-Нордгейма через окисел приблизительно экспоненциально зависит от электрического поля в окисле. Следовательно, для случая постоянного напряжения MTTF масштабированных тонких окислов будет сокращаться экспоненциально с коэффициентом масштабирования

Эффекты горячих носителей. Горячими носителями являются те электроны и дырки в канале и области отсечки, которые получают достаточно много энергии от продольного электрического поля, создаваемого напряжением исток-сток, так что их распределение по энергиям оказывается много выше, чем то, которое можно представить в случае их равновесия с решеткой. Когда эти носители получают энергию, соответствующую первому критическому уровню ( 1,5 эВ в Si), они приобретают способность к ударной ионизации (создание добавочных электронно-дырочных пар), которая обеспечивает умножение тока истоксток и тока подложки /44/. Если электроны продолжают получать энергию, они могут достигнуть второй ступени ( 3 эВ), где они могут быть инжектированы над энергетическим барьером в SiO2. Существует также пороговое электрическое поле для этих процессов в кремнии,

105 В/см. Выше этого поля скорость получения энергии от поля выше скорости потери энергии через оптические фононы.

80