激活能Ea的計算pdf

1、快速確定微電子器件失效激活能及壽命試驗新方法的研究李杰郭春生程堯海李志國(北京工業(yè)大學電子信息與控制工程學院，北京100022 )摘要：提出了一種新的微電子器件快速評價方法-溫度斜坡法，建立了確定失效激活能的 新模型和壽命外推新模型，使用此模型可計算出單支器件的失效激活能并外推其壽命。同時，該方法的試驗溫度范圍較寬，可以觸發(fā)不同溫度范圍的多種退化模式，實現(xiàn)對不同退化機理的研究。 關(guān)鍵詞：溫度斜坡；激活能；多退化機理 PACC : 3520G;8170中圖分類號：TN32文獻標識碼：AA NEW METHOD OF RAPIDLY CONFIRMING ACTIVATION ENERGYAND

2、EXTRAPOLATING LIFE OF ELECTRONIC DEVICELi Jie , Guo Chunsheng , Cheng Yaohai, Li Zhiguo(College of Electronic Information and Control Engineering, Beijng University of Technology, Beijing, 100022,China)ABSTRACT A new method -Temperature Ramp method for rapid evaluation of reliability of microelectro

3、nic devices is proposed and the new model has been set up. Using the new model, the microelectronic device ' s activation energy can be worked our only roeeiisgmple and its life can beextrapolated. Generally the range of temperature used in experiments is so wide that different degradationmodes

4、can take place. In this case, the problem of multi- degradation mechanisms can be studied. KEY WORDS: Temperature Ramp ; activation energy ; multi-degradation mechanisms PACC:1.引言隨著微電子器件設(shè)計方法和工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，各種器件的可靠性和壽命不斷增加。我國半導體分立器件和CMOS集成電路的的失效率入己由80年代的10-6器件小時和10-5器件小時減小到目前 的10-8器件小時和10-7器件小時1, 2?？s短可靠性

5、壽命試驗時間，降低試驗成本，是可靠性工程和新 品研制中急需解決的問題之一。同時，人們正在努 力提高Si基和GaAs基半導體器件的工作溫度，己 有文獻報道Si基和GaAs基半導體器件最高工作溫 度可以分別達到400 C 3和500 C 4。所以，研究器件的高溫特性和高溫下的退化特性，對合理地拓寬 器件溫度應用范圍有重要的現(xiàn)實意義。各國都制定了可靠性壽命評價和試驗的相關(guān)標準。但實際情況是這些標準的試驗周期長，所需 樣品數(shù)量多，成本高。目前，國內(nèi)外普遍采用恒定 應力加速壽命試驗，即多樣品、多溫度點得到相關(guān) 系數(shù)后外推正常溫度下的壽命和失效率的方法同樣存在著效率低，周期長的缺點。最重要的是，常 規(guī)的試

6、驗方法無法對同一樣品在不同溫度下尤其 是高溫下的不同退化機理進行研究?？梢姵Ｒ?guī)方法 面臨著巨大的挑戰(zhàn)【5。本文提出了一種適用于微電子器件壽命快速 評價的方法-溫度斜坡法，并建立了模型。通過確 立器件敏感參數(shù)退化率與應力水平之間的關(guān)系(取代常規(guī)方法中所需要的建立壽命特征與應力水平 之間的關(guān)系)，由單支樣品的試驗數(shù)據(jù)，便能夠得出 其失效激活能，并外推該樣品正常工作條件下的壽 命，從而降低了成本。采用序進溫度應力和恒定電 壓、電流應力的多應力加速試驗方式，加快器件內(nèi) 部的物理化學反應，在一定程度上縮短了試驗時 間。同時，該試驗方法可以觸發(fā)多種退化模式，從 而實現(xiàn)對不同退化機理的研究。2.理論及模型5

7、,6微電子器件參數(shù)的退化是由器件內(nèi)部物理和 化學變化引起的，當這種變化積累到一定程度時即 發(fā)生失效，退化經(jīng)歷的時間即產(chǎn)品的壽命7。在加速壽命試驗中，微電子器件的退化與溫度的關(guān)系可以用阿侖尼斯(Arrhenius )模型來描述； 與電應力(電壓、電流等)的關(guān)系，可以用逆藉率 模型描述；多應力時可以用廣義阿倫尼斯模型描述 8。根據(jù)上述幾種模型，在同時考慮溫度、電壓及 電流三種應力情況下，我們建立了如下形式的模 型：Aexp( j )exp(V )exp( Q T) dtdM = n m - K (1)式中，A、m、n為常數(shù)，dM dt為器件特征參數(shù) 隨時間的變化率，j為電流密度，V為電壓，Q為激

8、活能，k為玻爾茲曼常數(shù)(8.36X 10 5eV/K) , T為 絕對溫度。(1)式兩邊同時除以器件特征參數(shù)初始 值M 0,可得：A j V Q T dtMdM ' exp( n )exp( m )exp()0=-K (2)試驗方案中，溫度應力采用序進應力法，即對器件施加按一定速率6上升的溫度應力，則t時刻結(jié)溫 為：T=T0+ 3 t + T (3)式中，T0為初始試驗溫度， T是器件施加電應力后，由焦耳熱產(chǎn)生的自升溫。由(3)式可得，d T =3 d t,即d t = d T / 0。帶入(2)式中，得到： '0dM A exp( jn )exp(V m )exp( Q T)

9、dTMK=-(4)從而將參數(shù)隨時間的變化率轉(zhuǎn)化為隨溫度的變化率，j和V保持為常數(shù)，對(4)式兩邊積分，可得：一般情況下，Q / kT >>1 ,所以T -TO o TT QTT QQdTTexp( Q) exp( ) 2 exp( )02K KKK(5)在具體的試驗過程中，溫度的變化范圍通常會大于100K,所以 T 2 exp (-Q/kT) >>T02 exp (Q/kT0 )9o 例如：設(shè) T =300oC, T 0=200oC, Q=1. 0 eV,則 T 2 exp( Q/kT)/T02 exp( Q/kT0) r 123)。由此，(5)式積分的結(jié)果可以簡化為：

10、exp( ) exp( ) ' 20 TQQA j V TMM n m6精K + -上式兩邊同取對數(shù)，得：TC QT Mln( M ) ln ( ) 102 K=+(6)其中QC A j Vn mk 'exp(+ )=O從(6)式看出，通過描繪ln()0T 2M M與1/T的對應關(guān)系點，進而擬和出一條直線，計算出該直線的斜率S,由于S Q -=,得到：Q = -S x &(7)即得出了激活能Q。若器件在試驗過程中，出現(xiàn)一 個以上的退化機理，則會出現(xiàn)斜率不同的線性段， 就可以得到不同退化機理的激活能和加速退化時 間。設(shè)在試驗過程中，由tl時刻到t2時刻，器件的 特征參數(shù)退

11、化到失效判據(jù)所引起的器件退化能量 積累為10：/ +-=MMTTn mO oOdTTdM A j V QM1 exp( ) exp()'8 K21exp( )ttn m dtTE j V Q(8)在得出激活能Q后，就可以外推某一使用條件下的 器件壽命：0 00n m exp()Ej V QTTK-(9)其中，T j0為該器件的使用條件下結(jié)溫。若試驗條件 與工作條件的電應力相同，即 j = j。，V= V。，貝U (9) 式可簡化為：exp( )exp( )021ttTQdtTQKKT(10)3. 試驗系統(tǒng) 基于溫度斜坡法模型，我們建立了一套試驗系 統(tǒng)（見圖1）。圖1.試驗系統(tǒng)圖Fig.

12、1 Testing system block diagram通過程控溫控儀，對熱臺加溫并控制升溫速率，完成對樣品施加的溫度應力；通過程控電源對 樣品施加電應力。在試驗過程中，程控萬用表將樣 品的電應力狀態(tài)反饋給 PC機，用HPVEE編寫的 程序根據(jù)反饋的信息控制電源的輸出，以保持樣品 電應力的恒定。4. 試驗結(jié)果及分析4.1試驗一1）試驗條件及數(shù)據(jù)試驗樣品采用硅 PNP3CG120C雙極型晶體管。溫度應力：初始溫度 T設(shè)為443K ,升溫速率6 = 1K 8hr ;電應力：Vce= 27V , I C = 18.5mA（功率為500mW）;選擇直流放大系數(shù) hFE為失效 敏感參數(shù)；測試條件：V

13、ce= 10V , I c= 30mA,室溫；失效判據(jù)：直流放大系數(shù)hFE的漂移量 hFE/hFE >± 20%。試驗中，372#樣品的試驗數(shù)據(jù)見圖2。2）數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析a、從443K到510K左右，hFE緩慢退化到初始值的 91%。這一過程的溫度應力條件與正常使用下的條 件最接近，且退化模式單一。因此，從退化機理的 角度出發(fā)，其主要機理與正常使用條件下所觸發(fā)的 主要機理基本一致。使用溫度斜坡模型，可以計算 出該機理的激活能 Qi = 0.7eV。由該階段的數(shù)據(jù)外 推可以得到器件的退化至 20% （66）所需要的試驗 時間，見圖3 （以372#為例說明）。根據(jù) GJB/Z

14、299C 200x表5.1.1-5c,經(jīng)計算，本樣品正常使用時 的結(jié)溫為60oC左右，可以推算出器件在 Vce= 一27V , I c = 18.5mA （功率為500mW）條件下的正常使用壽命為：T 372# = 1.2X 107 （hr）。b、樣品在整個試驗過程中表現(xiàn)出不同的退化模式，圖1中曲線可以分為斜率不同的 a、b、c、d四部分， 由上一節(jié)（7）式可知，每個階段對應一種主要退 化機理。使用溫度斜坡模型可以計算出每種機理的 失效激活能（考慮到第四段為結(jié)損壞的過程，所以 在計算激活能時，沒有采用其數(shù)據(jù)）：Qi= 0.7eV; Q2= 1.2eV; Q3= 2.2eV。4.2試驗二為了獲取

15、更多的數(shù)據(jù)，我們又取了兩支同類型的樣品，編號分別為373#、374#,在相同的條件下 進行了試驗，試驗數(shù)據(jù)見圖 4。由圖可見，373#、 374#樣品表現(xiàn)出與372*樣品一致的退化模式。利用 第一段的數(shù)據(jù)，我們也計算出了這兩支樣品的正常 使用壽命：T 373 = 3.8 X 107 （hr）。T 374= 1.3 X 107 （hr）。同樣，使用溫度斜坡模型，可以計算出每段所對應 退化機理的激活能：373#: Qi = 0.6eV ; Q2= 1.3 eV; Q3= 2.4 eV。 374#： Q1 = 0.6eV ; Q2= 1.3 eV; Q3= 2.3 eV。4.3試驗三在加速壽命試驗中

16、最接近使用溫度的溫度段應該反映出正常工作條件下的失效機理，所以應選擇 第一段（a段）的失效激活能外推器件正常工作條 件下的壽命。由于本試驗選擇的升溫速率過快，在加速壽命試驗達到第二段的溫度時（b段），器件的失效并末達到失效判據(jù)值，可對第一段采用外推法 來求解器件達到失效判據(jù)時的壽命。為了驗證外推 的合理性，我們選取第一段曲線在拐點之前的某一 溫度，進行恒定應力試驗。具體試驗條件如下：恒 定溫度T = 503K,電應力與前兩組試驗相同，試 驗結(jié)果見圖5?？梢钥闯?，器件保持單一退化模式直至達到失效判據(jù)，說明采用第一段退化機理的失效激活能外 推器件正常工作條件下的壽命是合理的。5. 結(jié)論1）使用基于

17、溫度斜坡模型的試驗及數(shù)據(jù)處理方法，計算出的三支樣品的激活能Q及壽命T等數(shù)據(jù)比較一致。得出了 3CG120C雙極晶體管的壽命為1.2-3.8 X 107小時，而雙極型晶體管在地面良好 條件下（實驗室條件）使用壽命的經(jīng)驗數(shù)據(jù)為1.92X 107小時1,二者具有可比性，說明了新方法能 夠較準確地進行器件壽命的評價。2）溫度斜坡法模型通過單樣品的數(shù)據(jù)就可以計算出失效激活能Q,外推出正常工作條件下的壽命T。與常規(guī)加速壽命試驗相比較11,減少了樣品數(shù)量，降低了成本。當然，要減小誤差，需采取多 試驗樣品Q和I失效分布參數(shù)的統(tǒng)計方法，精確計算有代表性的Q和I。3) 溫度斜坡法通過設(shè)置適當?shù)臒犭姂Γ梢源蟠罂s

18、短試驗時間(本試驗時間為 1500hr左右，若僅 考慮外推壽命試驗的時間只需要約 500小時，遠短 于常規(guī)試驗所需要的4-6個月的時間ii),提高了 效率，縮短了研制生產(chǎn)周期。4) 常規(guī)試驗方法需要進行摸底試驗，找出某一失 效機理的應力范圍，并在此應力范圍內(nèi)進行試驗 ii,很難進行不同溫度范圍多失效機理的研究。溫 度斜坡法則可在較寬的溫度范圍內(nèi)進行加速壽命 試驗，進行不同溫度段多失效機理的研究，并可計 算出不同溫度段的失效激活能。致謝：感謝中國航天科技集團朱明讓和梁瑞海研究 員對本課題的支持。感謝濟南半導體所提供了試驗 樣品。感謝中國電子科技集團電子第十三研究所徐 立生高工對本工作提出了有益的

19、意見。參考文獻1 The datum centre of national information net, the analysis for the reliability of the electronics products. Reliability and quality information.2000:16 國家信息網(wǎng)資料中心，電 子產(chǎn)品目前可靠性水平分析.可靠性與質(zhì)量 信息.2000: 162 The datum centre of the reliability datum changenet for China electronics products. The databa

20、se of failure rate of electronics devices. 1983:2 中 國電子產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)交換網(wǎng)數(shù)據(jù)中心.電子元器件失效率數(shù)據(jù)集(一).1983 : 23 J.P.Colinge.Fully-depleted SOI CMOS for analog applications IEEE Trans.EDL.1998,May (45): 1010-10164 P.Schmid,K.Doverspike.High temperature performance of GaAs-based HFET structure containing LT-AlGaAs and

21、 LT-GaAs.IEEE Trans. EDL.1998,July (19) :225-2275 Li Zhiguo,Song Zengchao,Sun Dapeng,et al.GaAs MESFET s Reliability and New Method of Rapid Evaluation. Chinese Journal of Semiconductors ,2003,24 (8) : 856-860 李志國， 宋增超，孫大鵬，等.GaAs MESFET 可靠性及 快速評價新方法的研究.半導體學報，2003 , 246 Li Zhiguo.A study on GaAs FET's failure mechanism and experimental technology of rapid evaluation of reliability.Annual Proceedings - Reliability Physics (Symposium), 20037 Gao Guangbo,Li Xuexin.Semiconductor devices