微電子器件可靠性

微電子器件可靠性主講：孔學(xué)東研究員第三講：

失效物理3.1氧化層中的電荷MOS器件的界面特性影響著器件的成品率、工作的穩(wěn)定性和可靠性。在Si-SiO2界面的SiO2一側(cè)存在著多種形式的電荷或能量狀態(tài)，一般歸納為以下四種基本類型：①二氧化硅層中的可動(dòng)離子②二氧化硅中的固定電荷③界面態(tài)④二氧化硅層中的電離陷阱電荷3.1.1氧化層電荷的性質(zhì)與來(lái)源可動(dòng)離子電荷Qm：主要是SiO2中存在的K+、Na+、Li+等正離子引起的，其中對(duì)器件穩(wěn)定性影響最大的是鈉離子。①鈉離子來(lái)源于所使用的化學(xué)試劑、玻璃器皿、高溫器材以及人體沾污等。②鈉離子易于在二氧化硅中遷移，調(diào)制器件表面的電勢(shì)，引起器件參數(shù)的不穩(wěn)定。3.1.1氧化層電荷的性質(zhì)與來(lái)源可動(dòng)離子電荷Qm的測(cè)量：在實(shí)際的MOS系統(tǒng)中，膜層中的可動(dòng)離子是致使半導(dǎo)體器件不穩(wěn)定的一個(gè)重要原因，膜層中的正電荷包含固定正電荷、Si界面態(tài)電荷和一部分靠近Si界面的可動(dòng)離子電荷，因此，要確定膜層中的可動(dòng)離子電荷

，就必須把它和固定電荷區(qū)分開來(lái)。把可動(dòng)離子和固定電荷區(qū)分開來(lái)的辦法是利用正，負(fù)偏壓溫度實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)稱Ｂ-T試驗(yàn)。

3.1.1氧化層電荷的性質(zhì)與來(lái)源在MOS電容上先加一負(fù)偏壓，后把樣品加溫，由于膜層中的可動(dòng)電荷在較高溫度下具有較大的遷移率，因此，它們將在高溫負(fù)偏壓下向金屬-SiO2界面移動(dòng)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間以后可以認(rèn)為SiO2膜層中的可動(dòng)電荷基本上全部漂移至金屬-SiO2界面處。

3.1.1氧化層電荷的性質(zhì)與來(lái)源保持偏壓不變，將樣品冷卻到室溫，然后去掉偏壓，測(cè)量高頻C-V特性，曲線所對(duì)應(yīng)的平帶電壓值減小，C-V特性曲線向右移動(dòng)，得到圖中的曲線2。接著，改變偏壓極性，作正BT處理。加熱時(shí)間和溫度與負(fù)BT相同。正BT處理后，SiO2中的可動(dòng)正電荷又全部漂移到Si-SiO2界面附近，測(cè)量高頻C-V特性，C-V曲線向左方移動(dòng)，得到圖中的曲線3。3.1.1氧化層電荷的性質(zhì)與來(lái)源這樣，通過(guò)正負(fù)偏壓溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)量出平帶電壓的移動(dòng)，就可計(jì)算出可動(dòng)離子的面密度：上式中，VFB是平帶電壓，Ｃox是氧化層的電容量，

o是真空電容率，rs是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。3.1.1氧化層電荷的性質(zhì)與來(lái)源右表中所列的可動(dòng)離子面密度是國(guó)內(nèi)典型亞微米ＣＭＯＳ工藝線上的測(cè)量數(shù)據(jù)MIS結(jié)構(gòu)序號(hào)可動(dòng)離子面密度（/cm2）17.12E+1027.19E+1031.06E+1047.12E+1051.12E+1066.70E+1074.06E+1085.75E+0895.33E+08106.23E+093.1.1氧化層電荷的性質(zhì)與來(lái)源固定電荷Qf：分布在SiO2

一側(cè)距Si-SiO2界面小于2.5nm的氧化層內(nèi)的電荷，起源于硅材料在熱氧化過(guò)程中引入的缺陷。固定電荷的面密度是固定的；位于Si-SiO2界面的2.5nm范圍以內(nèi)；面密度的值不明顯地受氧化層厚度或硅中雜質(zhì)類型及濃度的影響；與氧化和退火條件，以及硅晶體的取向有很顯著的關(guān)系。3.1.1氧化層電荷的性質(zhì)與來(lái)源固定電荷Qf的測(cè)量：固定電荷可以近似地認(rèn)為分布在硅-二氧化硅界面處，故平帶電壓：再加上金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)的影響，平帶電壓：于是：3.1.1氧化層電荷的性質(zhì)與來(lái)源界面態(tài)：又稱為界面陷阱電荷Qit，是指Si-SiO2

界面處位于禁帶中的能級(jí)或能帶，它們可以很短時(shí)間內(nèi)和襯底交換電荷。①除了未飽和的懸掛鍵外，硅表面的晶格缺陷和損傷以及界面處雜質(zhì)等也可以界面態(tài)。②退火可以有效地降低界面態(tài)密度③界面態(tài)密度按（111）晶面大于(110)晶面、(110)晶面大于(100)晶面的順序而變。3.1.1氧化層電荷的性質(zhì)與來(lái)源氧化層陷阱電荷：是由于各種輻射如X射線、射線、電子射線等產(chǎn)生的，可以是正電荷，也可以是負(fù)電荷，取決于氧化層陷阱中俘獲的是電子還是空穴。①二氧化硅中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，如果沒(méi)有電場(chǎng)，電子和空穴將復(fù)合掉，不會(huì)產(chǎn)生凈電荷。②存在由正柵壓引起的電場(chǎng)時(shí)，電子被拉向柵極，而空穴由于在二氧化硅中很難移動(dòng)，可能陷于陷阱中，這些被俘獲的空穴就表現(xiàn)為正的空間電荷。③輻射感應(yīng)的空間電荷通過(guò)在300

C以上進(jìn)行退火可以很快地消去。3.1.2對(duì)可靠性的影響

氧化層存在的上述四種電荷，會(huì)調(diào)制硅的表面電勢(shì)，凡是與表面電勢(shì)有關(guān)的各種電參數(shù)均受到影響。增加PN結(jié)的反向漏電，降低了結(jié)的擊穿電壓。引起MOS器件閾值電壓漂移，跨導(dǎo)和截止頻率下降。對(duì)電流增益及噪聲的影響：降低小電流下的電流增益，產(chǎn)生疊加在基極和集電極電流上的噪聲電流。3.2熱載流子效應(yīng)可熱載流子注入效應(yīng)是MOSFET的一個(gè)重要失效機(jī)理。高能載流子，也稱為熱載流子：產(chǎn)生于漏極的大溝道電場(chǎng)有效溫度高于晶格的溫度通過(guò)聲子發(fā)射把能量傳遞給晶格，這會(huì)造成在硅-二氧化硅界面處能鍵的斷裂熱載流子也會(huì)注入到SiO2中而被俘獲鍵的斷裂和被俘獲的載流子會(huì)產(chǎn)生氧化層電荷和界面態(tài)，這會(huì)影響溝道載流子的遷移率和有效溝道勢(shì)能。能量達(dá)到甚至超過(guò)SiO2-Si勢(shì)壘（3.2eV）便會(huì)注入到SiO2中去，當(dāng)能量等于或大于4.2eV時(shí)就會(huì)打斷共價(jià)鍵而產(chǎn)生界面陷阱，這就是熱載流子注入效應(yīng)3.2.1

熱載流子效應(yīng)示意圖熱載流子注入效應(yīng)示意圖3.2.2熱載流子效應(yīng)的性質(zhì)

①熱載流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因碰撞電離而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，產(chǎn)生的多數(shù)空穴流向襯底，形成襯底電流Isub。②部分空穴隨著漏極向柵極正向電場(chǎng)的形成而注入氧化層中。③高能電子注入氧化層中。④電子和空穴兩種熱載流子都注入SiO2，引起器件特性的變動(dòng)。3.2.3熱載流子效應(yīng)對(duì)器件特性的影響MOS器件閾值電壓的變化與應(yīng)力作用時(shí)間的關(guān)系漏極襯底電流比率模型：漏極電壓加速模型：3.2.3退化量的表征H、m、n是模型系數(shù)，ΔD是參數(shù)變化量，Isub是襯底電流，ID是漏極電流，W是器件的寬度。B是模型系數(shù)，VD，USE是器件在使用條件下的漏極電壓。①環(huán)境溫度越低，器件退化越嚴(yán)重。這是因?yàn)榈蜏叵码娮拥淖杂沙淘黾?，從電?chǎng)中獲得的能量也增加，容易產(chǎn)生熱載流子，提高了注入氧化層的概率。②芯片表面一般有保護(hù)的鈍化膜，膜中含有氫，氫的原子半徑很小，極易擴(kuò)散進(jìn)入柵下的Si-SiO2界面處，取代氧與硅形成Si-H、Si-OH鍵，熱載流子的注入使Si-H、Si-OH鍵破壞，在氧化層中形成界面態(tài)，從而使熱載流子注入效應(yīng)顯著。3.2.3熱載流子效應(yīng)的影響因素3.2.3熱載流子效應(yīng)的改進(jìn)措施

①漏極附近的強(qiáng)電場(chǎng)是引發(fā)溝道熱載流子效應(yīng)的原因，因此，對(duì)策就是要減輕漏極附近的場(chǎng)強(qiáng)，比較有效的措施是采用輕摻雜源漏結(jié)構(gòu)（LDD，LightlyDopedDrain-Source）,使雪崩注入?yún)^(qū)向硅襯底下移，離開柵界面。

②工作時(shí)的漏極電壓進(jìn)行降額處理，也可改善熱載流子注入效應(yīng)。3.3柵氧擊穿在MOS器件及其IC中，柵極下面存在一薄層SiO2，這就是通常所說(shuō)的柵氧（化層）。柵氧的漏電與柵氧質(zhì)量關(guān)系極大，漏電增加到一定程度即構(gòu)成擊穿，導(dǎo)致器件失效。隨著超大規(guī)模集成電路器件尺寸的等比例縮小，芯片面積不斷增大，相應(yīng)地柵氧總面積也增大，存在缺陷的概率增加，加上受到高電場(chǎng)的作用，柵氧發(fā)生擊穿的地方增多，可靠性問(wèn)題變得嚴(yán)重。3.3.1柵氧擊穿的分類

①瞬時(shí)擊穿，電壓一加上去就發(fā)生的擊穿。分為本征擊穿與非本征擊穿，非本征擊穿是由于介質(zhì)層中存在各種缺陷，引起氣體放電、電熱分解等情況而產(chǎn)生介質(zhì)漏電甚至擊穿。

②與時(shí)間有關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB，TimeDependentDielectricBreakdown）

是指施加的電場(chǎng)低于柵氧的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)，但經(jīng)歷一定時(shí)間后仍發(fā)生了擊穿，這是由于施加電應(yīng)力的過(guò)程中，氧化層內(nèi)產(chǎn)生并積聚了缺陷的緣故。3.3.2擊穿的數(shù)學(xué)模型E模型1/E模型E模型柵氧化層TDDB特性的描述模型很多，對(duì)于恒定電壓下的柵氧化層，電場(chǎng)與時(shí)間的關(guān)系有兩種，即1/E模型或E模型，E模型如下：

式中

是TDDB壽命，

0是本征擊穿時(shí)間，、G是模型參數(shù)，單位是cm/MV，Eox是氧化層電場(chǎng)。3.3.2擊穿的數(shù)學(xué)模型到目前為止，哪一種模型較正確還未有定論，不過(guò)E模型推算出的壽命比1/E模型推算出的要小，故工業(yè)界一般采用E模型。整合溫度與電場(chǎng)的加速模型可得到下列TDDB加速模型：式中

是TDDB壽命，C是系數(shù)，

是模型參數(shù)，單位是cm/MV，E是氧化層電場(chǎng)，Ea是激活能。3.3.3模型參數(shù)的提取1/E模型在TDDB加速模型中，有兩個(gè)重要的加速因子需要事先被提取出來(lái)，即激活能Ea和模型參數(shù)

，一般Ea可在一個(gè)固定的電場(chǎng)下，測(cè)量?jī)蓚€(gè)以上的溫度來(lái)得到，同理模型參數(shù)

可在一個(gè)固定的溫度下，測(cè)量?jī)蓚€(gè)以上的電場(chǎng)值來(lái)得到，圖中是TDDB試驗(yàn)過(guò)程中電場(chǎng)加速因子與溫度的關(guān)系，提取模型參數(shù)Ea和

。3.3.3柵氧評(píng)價(jià)的其它方法①氧化層可靠性的評(píng)價(jià)，除了使用恒定電壓以外，還可以使用斜坡電壓的測(cè)量方法，根據(jù)擊穿電場(chǎng)的分布，可以將氧化層缺陷分成三種類型，A模式、B模式和C模式。A模式的擊穿電場(chǎng)小于1MV/cm，B模式的擊穿電場(chǎng)介于2～6MV/cm，C模式的擊穿電場(chǎng)通常大于8MV/cm。A、B模式是缺陷失效，C模式反映的則是本征擊穿。②另外一種評(píng)估氧化層可靠性的方法是擊穿電荷，而測(cè)量擊穿電荷Qbd有兩種方法，即恒定電流測(cè)量和指數(shù)斜坡電流測(cè)量，不同的測(cè)量方法會(huì)使擊穿電荷Qbd的值不一樣，故應(yīng)當(dāng)在同一條件下進(jìn)行測(cè)量。

3.3.4軟擊穿和應(yīng)力產(chǎn)生的漏電流①當(dāng)氧化層越來(lái)越薄時(shí)，除了一般觀察到的硬擊穿（HardBreakdown,HBD）,還有兩種新的現(xiàn)象產(chǎn)生，一種是因應(yīng)力導(dǎo)致的漏電流（Stress-InducedLeakageCurrent,SILC），另一種是軟擊穿（SoftBreakdown,SBD），軟擊穿又叫準(zhǔn)擊穿、預(yù)擊穿等。器件發(fā)生軟擊穿時(shí)的漏電流比相同偏置條件下產(chǎn)生的SILC大3－4個(gè)數(shù)量級(jí)。②軟擊穿的發(fā)生并不會(huì)導(dǎo)致柵氧化層的完全擊穿，但是發(fā)生軟擊穿后，漏電流會(huì)顯著增大，而器件發(fā)生多次軟擊穿后，將可能引起整個(gè)氧化層擊穿，器件失效。因此，隨著柵氧化層厚度降低，軟擊穿可能是標(biāo)志未來(lái)的MOS器件柵氧化層可靠性的關(guān)鍵因素。3.3.5改進(jìn)措施與注意事項(xiàng)①通過(guò)比較TDDB值及其失效分布可以評(píng)估集成電路氧化、退火、拋光、清洗、刻蝕等工藝對(duì)柵氧化層質(zhì)量的影響，尤其是對(duì)超薄柵氧化層的可靠性評(píng)價(jià)。工藝加工過(guò)程中采取各種有效的潔凈措施，防止沾污。熱氧化時(shí)采用二步或三步氧化法生長(zhǎng)SiO2層?？梢杂肅VD生長(zhǎng)

SiO2或摻氮氧化以改進(jìn)柵氧質(zhì)量。

②柵氧易采靜電損傷，它的損傷是累積性的，使用中必需采取防護(hù)措施。3.4電遷移當(dāng)器件工作時(shí)，金屬互連線的鋁條內(nèi)有一定的電流通過(guò)，金屬離子會(huì)沿導(dǎo)體產(chǎn)生質(zhì)量的輸運(yùn)，其結(jié)果會(huì)使導(dǎo)體的某些部位產(chǎn)生空洞或小丘（晶須），這就是電遷移現(xiàn)象。3.4.1電遷移數(shù)學(xué)模型式中：

是失效時(shí)間，s；J是電流密度，A/cm2；A是由金屬層本身特性決定的系數(shù)；E是激活能，eV；K是波爾茲曼常數(shù)，8.62E-5eV/K；T是溫度，K；n電流密度因子。電遷移方程3.4.2影響電遷移的因素

①布線幾何形狀的影響，若單位長(zhǎng)度的缺陷數(shù)目是常數(shù)，金屬條越長(zhǎng)，總?cè)毕輸?shù)也增加，電遷移的壽命值就越短。②熱效應(yīng)，從電遷移方程可知，金屬膜中的溫度對(duì)可靠性影響很大，當(dāng)電流密度較大時(shí)，產(chǎn)生的焦耳熱不能忽略，直接影響電遷移的壽命值。③晶粒大小，在一些晶粒的交界處，由于金屬離子的散度不為零，出現(xiàn)小丘和空洞，所以膜中的晶粒尺寸宜均勻。④介質(zhì)膜，通過(guò)降低溫升提高抗電遷移性能。⑤合金效應(yīng)，鋁中摻入Cu、Si等少量雜質(zhì)時(shí)，硅中鋁中的溶解度低，大部分硅原子在晶粒邊界處沉積，且硅原子半徑比鋁大，降低了鋁離子沿晶界的擴(kuò)散作用，能提高鋁的抗電遷移能力。在亞微米時(shí)代，線條很細(xì)，雜質(zhì)在晶界處集積使電阻率提高，產(chǎn)生電流擁擠效應(yīng)。3.4.3失效模式

①短路，電遷移產(chǎn)生的小丘，引起相鄰兩條互連線的短路。②斷路，因電遷移而使金屬條產(chǎn)生開路。③參數(shù)退化，是指電遷移引起eb結(jié)擊穿特性退化，電流放大系數(shù)變化等。3.4.4抗電遷移措施

①設(shè)計(jì)，合理進(jìn)行電路版圖設(shè)計(jì)與熱設(shè)計(jì)，降低電流密度，合理選擇封裝形式，減小熱阻；②工藝，嚴(yán)格控制工藝，選擇合適的晶粒尺寸，提高激活能，同時(shí)注意減少膜的損傷；③材料，選用鋁合金代替純鋁，在納米器件中已開始使用銅做互連的材料；④多層結(jié)構(gòu)，采用以金為基的多層金屬化結(jié)構(gòu)。⑤覆蓋介質(zhì)膜，由于PSG、Al2O3、或Si3N4

等介質(zhì)膜能抑制表面擴(kuò)散，延長(zhǎng)鋁條的電遷移壽命值。3.4.5鋁膜的再構(gòu)鋁條經(jīng)過(guò)熱循環(huán)或脈沖功率老化以后，表面變得十分粗糙甚至發(fā)黑，在掃描電鏡下可看到表面出現(xiàn)許多小丘，晶須或皺紋等，這就是鋁表面的再構(gòu)。再構(gòu)現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致鋁膜電阻增大或器件內(nèi)部瞬間短路，也可引起某些地方電流密度增大，從而加速電遷移的發(fā)生。鋁的再構(gòu)是其承受熱應(yīng)力引起的，在高溫時(shí)鋁膜受到壓應(yīng)力，冷卻時(shí)又受到張應(yīng)力，從在鋁膜表面產(chǎn)生小丘，晶須或皺紋，形成再構(gòu)。3.4.6應(yīng)力遷移應(yīng)力遷移的原因一般認(rèn)為是鋁條較窄，其晶粒直徑可能與條寬相比，其上、下兩側(cè)受介質(zhì)膜（SiO2，Si3N4）的影響而存在拉伸（或壓縮）應(yīng)力。在溫度作用下，為緩和這種應(yīng)力，鋁原子可發(fā)生錯(cuò)位、滑動(dòng)等移動(dòng)，致使某些位置產(chǎn)生空洞，直至斷條。當(dāng)鋁條上不覆蓋鈍化層或覆以性能較軟的涂層如有機(jī)樹脂時(shí)，鋁條未發(fā)現(xiàn)有這種應(yīng)力失效，所以應(yīng)力的形成主要來(lái)自于鋁條的上、下兩側(cè)介質(zhì)膜層的熱失配。當(dāng)老化溫度增加，應(yīng)力失效速度加快。失效速度與鋁條尺寸的關(guān)系密切，所以電路集成度高時(shí)，應(yīng)力遷移將變得嚴(yán)重。3.4.6應(yīng)力遷移硅－鋁合金中含有氮及硅的析出可促進(jìn)空洞的形成，硅－鋁中加0.1%銅或鋁條上覆以W、TiN及TiW等難熔材料可減緩空洞的形成，但難熔材料的電阻率較高，抗電遷移能力也較差，在尺寸繼續(xù)縮小時(shí)也會(huì)引起問(wèn)題，這可通過(guò)改進(jìn)鈍化層的淀積過(guò)程或用單晶鋁制作互連線來(lái)改善。

應(yīng)力遷移失效圖形3.5與鋁有關(guān)的反應(yīng)以硅基為材料的微電子器件中，

SiO2層作為一種介質(zhì)膜是使用得很廣泛的，而鋁常用作互連線的材料，

SiO2與鋁在高溫時(shí)將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：4Al+3SiO22Al2O3+3Si

使鋁層變薄，若因SiO2層因反應(yīng)消耗而穿透，造成鋁硅直接接觸，使PN結(jié)短路。3.5.1克服措施①版圖設(shè)計(jì)時(shí)考慮熱分布均勻，散熱好，熱阻低。②采用如SiO2-Al2O3-SiO2或Si3N4-SiO2復(fù)合鈍化層。③用雙層金屬如Ti-Al、W-Al等代替單一鋁互連線3.5.2鋁與硅的物理過(guò)程①形成固溶體，硅在鋁中有一定的固溶度，鋁與硅的反應(yīng)是先與SiO2層反應(yīng)，穿透SiO2

后讓鋁硅接觸，逐步形成滲透坑。②硅在鋁中的電遷移，硅原了由于分布不均勻，存在濃度梯度，向外擴(kuò)散，如有電流通過(guò)，硅原子便沿電流方向移動(dòng)，即產(chǎn)生電遷移，可引起PN結(jié)的短路。③鋁在硅中的電熱遷移，在高溫、高電流密度區(qū)，鋁-硅界面可發(fā)生鋁的電熱遷移，這種遷移通常在Si-

SiO2界面處硅表面進(jìn)行。3.5.3鋁與硅的失效模式①雙極型淺結(jié)器件E-B結(jié)退化，硅-鋁反應(yīng)形成的滲透坑多發(fā)生在接觸孔四周，這是因?yàn)樵撎幦芙獾墓杩上蚺詳U(kuò)散，降低了界面處硅的含量，允許硅進(jìn)一步溶解，這在淺結(jié)器件中容易引起E-B結(jié)退化，反向漏電增加，擊穿特性變軟；②鋁肖特基勢(shì)壘二極管的失效，這是因?yàn)楣柙阡X中的固態(tài)溶解而導(dǎo)致，在鋁硅界面出現(xiàn)不均勻，會(huì)使擊穿電壓降低，肖特基勢(shì)壘二極管的失效；③結(jié)間短路，這是硅在鋁中溶解并在鋁中電遷移產(chǎn)生的。3.5.3防止鋁硅表面退化的措施①采用含硅量0.1%~0.3%的鋁合金代替純鋁作互連線；②采用多層金屬化系統(tǒng)或金屬硅化物化替純鋁；③在鋁-硅之間加NiCr、Mo、Ti等用以因直接接觸而發(fā)生反應(yīng)的阻擋層。3.6.1熱阻晶體管工作時(shí)，因消耗功率轉(zhuǎn)換成熱量而使結(jié)（有源區(qū)）溫上升，工作結(jié)溫與器件壽命的關(guān)系是：式中A、B是常數(shù)，因此確定工作結(jié)溫是使用器件可靠性設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。一般對(duì)金屬封裝的硅器件，最大允許的結(jié)溫是150oC~175oC，塑料封裝則為125oC~150oC。因熱量與功耗成正比，于是有下式式中RTjc表示晶體管集電結(jié)與管殼之間的熱阻，Tj和Tc為結(jié)溫與殼溫，Pc為晶體管耗散功率，因此熱阻可定義為晶體管單位功耗引起的結(jié)溫升，單位是oC/W。3.6.2熱應(yīng)力微電子器件是上一些性能各異的材料組成，這些材料的熱膨脹系數(shù)各不相同，在不同材料界面間存在壓縮或拉伸應(yīng)力，即熱應(yīng)力，由熱應(yīng)力引起的失效分為如下兩種類型：①破壞性失效，如塑封管殼出現(xiàn)裂紋，引線封接處裂開，使氣封性失效，大功率器件的管芯與底座間燒結(jié)層出現(xiàn)裂紋或空洞，使歐姆接觸不良熱阻增大，導(dǎo)致早期失效或瞬間燒毀。②熱疲勞，導(dǎo)致焊接層破壞，鍵合引線開路，器件性能退化或失效。

3.6.2二次擊穿當(dāng)器件被偏置在某一特殊工作點(diǎn)時(shí)，電壓突然降落，電流突然上升，出現(xiàn)負(fù)阻的物理現(xiàn)象叫二次擊穿。二次擊穿是破壞性的熱擊穿，為不可逆過(guò)程，有過(guò)量的電流流過(guò)PN結(jié)，溫度很高，使PN結(jié)燒毀。電壓開始跌落點(diǎn)稱二次擊穿觸發(fā)點(diǎn)，在二次擊穿觸發(fā)點(diǎn)停留的時(shí)間稱二次擊穿“延遲時(shí)間”3.7CMOS電路的閂鎖效應(yīng)閂鎖效應(yīng)是指CMOS電路中寄生的固有可控硅結(jié)構(gòu)被外界因素觸發(fā)導(dǎo)通，在電源和地之間形成低阻通路現(xiàn)象，一旦電流流通，電源電壓不降至臨界值以下，導(dǎo)通就無(wú)法中止，引起器件的燒毀，構(gòu)成CMOS電路的一個(gè)主要的可靠性問(wèn)題。隨著集成度的提高，尺寸的縮小，摻雜濃度提高寄生管的放大倍數(shù)變大，更易引起閂鎖效應(yīng)。

3.7.1閂鎖效應(yīng)物理過(guò)程在一定條件下，T1/T3與T2/T4結(jié)構(gòu)一旦觸發(fā)，電源到地之間便會(huì)流過(guò)較大的電流。并在NPNP寄生可控硅結(jié)構(gòu)中同時(shí)形成正反饋過(guò)程，此時(shí)寄生可控硅結(jié)構(gòu)處于導(dǎo)通狀態(tài)。只要電源不切斷，即使觸發(fā)信號(hào)已經(jīng)消失，業(yè)已形成的導(dǎo)通電流也不會(huì)隨之消失。

3.7.2閂鎖效應(yīng)的抑制方法選材及設(shè)計(jì)改進(jìn)①采用SOS/CMOS工藝②采用保護(hù)環(huán)③采用N/N+外延并在阱區(qū)設(shè)置埋層改進(jìn)版圖設(shè)計(jì)，盡可能多開電源孔和接地孔遵守使用規(guī)程，確保使用可靠性3.8.1靜電來(lái)源靜電產(chǎn)生的方法很多，最普通的是兩種物體的相互磨擦而帶電，導(dǎo)體或電介質(zhì)在靜電場(chǎng)產(chǎn)生靜電感應(yīng)而帶電，固體、流體及氣體物質(zhì)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)、磨擦、擠壓、研磨等過(guò)程中也可帶電，人在活動(dòng)過(guò)程中與衣服、及所帶用具均可因磨擦而產(chǎn)生靜電。靜電電壓是根據(jù)帶電體所帶是荷量與其對(duì)地電容而確定的，一般電荷量較小，但對(duì)地是容也很小，所以靜電電位可以很高。靜電的特征是電壓高及電荷量小。3.8.2損傷機(jī)理與部位①PN結(jié)短路，放電電流流經(jīng)PN結(jié)時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱使局部鋁-硅熔融生成合金釘穿透PN結(jié)造成的。②互連線與多晶硅的損傷，當(dāng)流過(guò)互連線的電流密度過(guò)大時(shí)，會(huì)因過(guò)熱而開路，這在厚度較薄的臺(tái)階處更易發(fā)生。③柵氧穿通，靜電使氧化層中的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)其臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，將使氧化層產(chǎn)生穿通。ESD發(fā)生的部位，多半是在器件的易受靜電影響的部位，如輸入回路，輸出回路，電場(chǎng)集中的邊沿處，以及結(jié)構(gòu)上的薄弱處。3.8.3靜電損傷模式①突發(fā)性失效，它使器件的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)突然劣化，完全失去規(guī)定功能，通常表現(xiàn)為開路、短路或電參數(shù)嚴(yán)重漂移；②潛在性損傷，一次ESD不足以引起器件發(fā)生突然失效，但它會(huì)在器件內(nèi)部造成一些損傷，這種損傷是積累性的，隨著ESD次數(shù)的增加，器件的損傷閾值劣化，降低了器件的抗靜電能力。3.8.4靜電損傷模型及靈敏度①人體模型（HBM），是目前應(yīng)用最廣泛的一種靜電放電損傷模型；②機(jī)器模型，應(yīng)力比人體模型強(qiáng)，但應(yīng)用較少；根據(jù)我國(guó)軍標(biāo)GJB597A-96,器件的ESD分成1、2、3三個(gè)等級(jí)，其抗靜電電壓分別是小于2KV、2000V~3999V及大于4KV3.9.1輻射損傷在地球及外層空間中，輻射環(huán)境來(lái)自自然界的人造環(huán)境兩個(gè)方面，自然環(huán)境中存在的天然輻射帶、宇宙射線、太陽(yáng)風(fēng)和太陽(yáng)耀斑，它們都是帶電不帶電的粒子，包括質(zhì)子、電子、X射線等。人造環(huán)境如高空的核武器爆炸時(shí)除產(chǎn)生大火球外，還會(huì)產(chǎn)生沖擊波、光、熱輻射、放射性塵埃、核輻射和核電磁脈沖等。輻射對(duì)微電子器件的損傷可分為永久、半永久及瞬時(shí)損傷等幾種情況。3.9.2輻照效應(yīng)①位移效應(yīng)②電離效應(yīng)③瞬時(shí)輻照