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淺談因電遷移引發(fā)的半導(dǎo)體失效

發(fā)布時(shí)間:2024-02-28 來源:世健 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】半導(dǎo)體產(chǎn)品老化是一個(gè)自然現(xiàn)象,在電子應(yīng)用中,基于環(huán)境、自然等因素,半導(dǎo)體在經(jīng)過一段時(shí)間連續(xù)工作之后,其功能會(huì)逐漸喪失,這被稱為功能失效。半導(dǎo)體功能失效主要包括:腐蝕、載流子注入、電遷移等。其中,電遷移引發(fā)的失效機(jī)理最為突出。技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu在此對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了分析。


前言


半導(dǎo)體產(chǎn)品老化是一個(gè)自然現(xiàn)象,在電子應(yīng)用中,基于環(huán)境、自然等因素,半導(dǎo)體在經(jīng)過一段時(shí)間連續(xù)工作之后,其功能會(huì)逐漸喪失,這被稱為功能失效。半導(dǎo)體功能失效主要包括:腐蝕、載流子注入、電遷移等。其中,電遷移引發(fā)的失效機(jī)理最為突出。技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu在此對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了分析。


1、背景


從20世紀(jì)初期第一個(gè)電子管誕生以來,電子產(chǎn)品與人類的聯(lián)系越來越緊密,特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著集成電路的飛速發(fā)展,人們對(duì)電子產(chǎn)品的需求也變得愈加豐富。隨著電子產(chǎn)品的普及,電子產(chǎn)品失效率越來越高,質(zhì)量變差,新產(chǎn)品不耐用。


由于產(chǎn)品失效率的提高,許多學(xué)者參與到半導(dǎo)體失效分析的研究中。經(jīng)過大量研究分析和仿真,學(xué)者總結(jié)出:由于電流的作用,導(dǎo)致導(dǎo)線中的金屬原子與電子通過摩擦產(chǎn)生電遷移位移現(xiàn)象所引發(fā)的失效是電子產(chǎn)品失效模式的主要因素之一。電遷移滿足失效分布函數(shù)曲線,產(chǎn)品失效模式與產(chǎn)品工藝、工作溫度關(guān)系密切。


2、相關(guān)理論


電遷移現(xiàn)象主要發(fā)生在半導(dǎo)體在通電狀態(tài)下,由于電場(chǎng)作用,原子在與電子流的帶動(dòng)下,由于摩擦,產(chǎn)生移位現(xiàn)象,這一現(xiàn)象被稱為電遷移。


淺談因電遷移引發(fā)的半導(dǎo)體失效

圖 1. 電遷移作用力引發(fā)半導(dǎo)體失效原理


如圖所示,在電場(chǎng)作用下,半導(dǎo)體在導(dǎo)通過程中,正電荷會(huì)同時(shí)受到靜電場(chǎng)力和電子高速運(yùn)動(dòng)沖擊所產(chǎn)生的風(fēng)力作用。


由于電流密度增大,電子產(chǎn)生的風(fēng)力會(huì)大于靜電場(chǎng)力,從而導(dǎo)致正電荷——也就是金屬原子,產(chǎn)生移位,這一現(xiàn)象稱為電遷移效應(yīng)或電遷移現(xiàn)象。經(jīng)過長期積累,半導(dǎo)體的部分連接就會(huì)形成不連貫的晶須(Hillock)或空洞(Void),最終導(dǎo)致半導(dǎo)體元器件失效。


淺談因電遷移引發(fā)的半導(dǎo)體失效

圖 2.電遷移作用失效示意圖


James R.Black最早在1967年提出基于電遷移引起平均失效時(shí)間(MTTF)的數(shù)據(jù)擬合經(jīng)驗(yàn)?zāi)P停瑸槭Х治鼍哂欣锍瘫囊饬x。

按照Black模型公式:


淺談因電遷移引發(fā)的半導(dǎo)體失效


半導(dǎo)體元器件的失效機(jī)理與材料、電子碰撞間隔平均自由時(shí)間、有效散射橫截面積的因素常量A,電流密度j,絕對(duì)溫度T等因素相關(guān)。Blench和Korhonen等人進(jìn)一步對(duì)電遷移物理模型進(jìn)行完善。半導(dǎo)體元器件的失效機(jī)理單元模型壽命可靠度函數(shù)符合歐拉公式。


根據(jù)以上公式,電流密度越大,半導(dǎo)體元器件的響應(yīng)速度就快,元件壽命就會(huì)越短,反之,元件的壽命就會(huì)增長。要滿足半導(dǎo)體元器件的響應(yīng)速度,則半導(dǎo)體就需要較高的參雜度,另一方面,通過摻雜不同的材料、調(diào)整有效散射橫截面積等因素也會(huì)對(duì)芯片的壽命產(chǎn)生影響。


3、常規(guī)解決方案

(1) 報(bào)廢機(jī)制

企業(yè)通常利用產(chǎn)品生命周期管理方式,通過對(duì)產(chǎn)品生命周期進(jìn)行分析,為產(chǎn)品設(shè)計(jì)一個(gè)報(bào)廢界定時(shí)間。在汽車、水電氣表等行業(yè)采用這種方式比較常見。


(2) 系統(tǒng)冗余

在保障性系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,企業(yè)一般在報(bào)廢機(jī)制的基礎(chǔ)之上,還會(huì)通過采用雙備份冗余設(shè)計(jì)、或者K/N表決冗余,并加上系統(tǒng)修復(fù)的方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。


4、技術(shù)源頭控制


(1) 工藝控制理論

根據(jù)Black模型理論,當(dāng)半導(dǎo)體采用寬線徑工藝,橫截面積較大時(shí),其芯片壽命會(huì)變長,產(chǎn)品平均失效時(shí)間MTTF會(huì)相對(duì)拉得更長。這也從側(cè)面解釋了為什么傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品可靠性更高。


(2) 差異化技術(shù)控制方法

在芯片原理設(shè)計(jì)中,采用不同的拓?fù)浼軜?gòu)模型,通過差異化技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同的控制方法也很常見,比如采用CMOS基本單元替代TTL基本單元、采用恒流源替代恒壓源來完成不同的產(chǎn)品拓?fù)淠P?。在ADC、DAC、運(yùn)算放大器、比較器等模型設(shè)計(jì)中十分常見。


在一些設(shè)計(jì)場(chǎng)合,通過調(diào)整芯片輸入閾值,降低芯片靈敏度,或通過控制芯片切換頻率,降低電流密度,達(dá)到提高產(chǎn)品可靠性的目的。


在核心處理芯片模型設(shè)計(jì)中,根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景,為了追求產(chǎn)品處理速度和可靠性,通常會(huì)采用不同的工藝模型進(jìn)行芯片架構(gòu)設(shè)計(jì),比如從CMOS衍生出來的SRAM、DRAM、ROM、EEPROM、Flash等工藝用于不同的處理器產(chǎn)品架構(gòu)中,會(huì)達(dá)到出不同的可靠性效果。


淺談因電遷移引發(fā)的半導(dǎo)體失效

圖 3.不同工藝模型芯片單元架構(gòu)


ROM工藝的處理器是一種非常古老的工藝產(chǎn)品,只能燒錄一次,雖然在某些應(yīng)用場(chǎng)景還依然被大量使用。但在目前主流的產(chǎn)品方案應(yīng)用中,基于SRAM和Flash工藝的MCU、MPU或FPGA處理器占據(jù)了絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景。


5、Microchip高可靠性Flash FPGA介紹


SRAM工藝的處理器是通過CMOS內(nèi)部管道切換的方式工作,其產(chǎn)品處理速度較高,被眾多用戶接受。但是,CMOS工藝有一個(gè)致命缺陷,由于工藝原因,伴隨CMOS工藝制成芯片產(chǎn)生米勒效應(yīng)極其容易受到外界干擾,產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。另外,CMOS在翻轉(zhuǎn)過程中,內(nèi)阻變小,電流密度過大,芯片長期在高電流密度下工作,會(huì)加速產(chǎn)品老化時(shí)間。


除了基于傳統(tǒng)CMOS的SRAM處理器之外,Microchip推出了一種基于疊柵MOS工藝的Flash架構(gòu)FPGA處理器。


淺談因電遷移引發(fā)的半導(dǎo)體失效

圖4.Flash架構(gòu)FPGA與SRAM架構(gòu)FPGA的差別


Microchip的FPGA 產(chǎn)品范圍覆蓋從低端到中端應(yīng)用,其產(chǎn)品特點(diǎn)以抗單粒子翻轉(zhuǎn)、安全、低功耗和上電即工作著稱,廣泛應(yīng)用于通信、國防和航空、工業(yè)嵌入式產(chǎn)品。Microchip 目前主推三大系列 FPGA:

  • 支持5K-150K LE(Logic Elements)具有大量資源的低密度器件的IGLOO?2 系列;

  • 支持5K-150K LE具有大量資源和 32 位硬核處理器內(nèi)核(ARM Cortex-M3)的SmartFusion?2 SoC系列;

  • 以及采用 28 納米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn), 支持25K - 480K LE的高性能PolarFire? FPGA 和 PolarFire? SoC系列(Hard 5-Core RISC-V 600MHZ CPU)。


這三大系列FPGA除了具有抗干擾、低功耗、上電啟動(dòng)的特征外,還具有強(qiáng)大的DSP/數(shù)學(xué)模塊(18x18乘法器),可用于當(dāng)前熱門的AI市場(chǎng)。


Microchip的這款Flash架構(gòu)的FPGA最大的一個(gè)特點(diǎn)是電流密度小、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)切換不會(huì)出現(xiàn)電流波動(dòng),基于其低功耗的特點(diǎn),可大大延長產(chǎn)品使用壽命。非常適合應(yīng)用在高可靠性、低失效率應(yīng)用場(chǎng)合,能高效改善因電遷移引發(fā)的半導(dǎo)體失效問題。其授權(quán)代理商Excelpoint世健可提供技術(shù)支持和指導(dǎo)。


關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商


世健是完整解決方案的供應(yīng)商,為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。多次被權(quán)威雜志和行業(yè)機(jī)構(gòu)列入全球領(lǐng)先分銷商榜單。


世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作,為新的科技與趨勢(shì)作出定位,并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。世健分別在新加坡、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心,專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案,幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè)、無線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。


世健擁有超過35年歷史、逾700名員工,業(yè)務(wù)擴(kuò)展至亞太區(qū)的49個(gè)城市和地區(qū),遍及新加坡、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國家。1993年,世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)(香港)有限公司,正式開始發(fā)展中國業(yè)務(wù)。目前,世健在中國擁有十多家分公司和辦事處,遍及中國主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持以及豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),世健在中國業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。


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