浅谈微电子器件的可靠性

摘 要：随着微电子技术的发展，微电子产品凭借体积小、功能全、智能化等特点越来越受到市场的欢迎，与此同时微电子的可靠性也随之被大家关心和重视，本文则对微电子器件的可靠性进行了研究，得出微电子的可靠性受热载流子、金属化、静电放电、栅氧化层等因素的影响，并针对这些原因，本文提出了相应的解决措施，旨在提高微电子器件的可靠性。

关键词：微电子器件；可靠性；热载流子；静电放电

中图分类号：TN601 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）10-0054-02

Abstract：With the development of microelectronic technology，microelectronic products are becoming more and more popular with the characteristics of small size，full function and intelligentization. At the same time，the reliability of microelectronics has been paid more attention. In this paper，the reliability of microelectronic devices is studied，and the influence of the reliability of microelectrons on the thermal carrier，metallization，electrostatic discharge and gate oxide layer is obtained. In view of these reasons，this paper puts forward corresponding solutions to improve the reliability of microelectronic devices.

Keywords：microelectronic devices；reliability；hot carrier；electrostatic discharge

0 引 言

随着电子科技的不断发展，在微电子技术的支撑下，微电子产品受到了消费者的广泛喜爱，电子器件在体积上逐渐缩小，这对电子器件的可靠性带来了一定影响，以静电放电为例，微电子器件很容易受到静电的影响而造成失效。基于此在微电子器件可靠性方面我国对其给予了高度重视，但是与国际技术水平相比还存在着一定差距，这也是我国微电子技术努力和发展的方向。

1 影响微电子器件可靠性的主要因素

影响微电子器件可靠性的因素很多，经过长时间的实验和分析证明，影响微电子器件可靠性的主要因素有四点，分别是热载流子效应、栅氧化层及栅氧击穿、金属化及电迁移、静电放电四种因素。

1.1 热载流子效应

1.1.1 热载流子效应对器件的影响

热载流子效应是造成微电子器件损伤最常见的原因，随着集成电路的广泛使用，栅氧化层的厚度和结构都在减小，这样会导致漏端的电磁场增加，热载流子效应会导致微电子器件阀值电压漂移，增加微电子器件的不稳定因素。严重时会导致电器失效。

具体而言，热载流子效应对微电子有两个方面的影响。一是缩短微电子器件的使用寿命，将热载流子注入到电器中，会影响电荷的分布情况，致使器件发生退化，加快器件的老化速度。其次，热载流子效应会对器件的场效应管MOS集成电路造成影响，从而影响到整个器件的稳定性。

1.1.2 热载流子效应引起的失效现象

（1）雪崩倍增效应。所谓的雪崩倍增效应就是当电离子碰撞过于频繁，会产生电子-空穴对，并在瞬间释放大量的电子-空穴对，这种现象叫做雪崩倍增效应。在微电子器件中，夹断区有较强的电场，这时，通过夹断区的载流子在电场的影响下就会提高移动速度，形成热载流子。当热载流子与价电子频繁碰撞，就容易形成雪崩倍增效应。

（2）阀值电压漂移。当夹断区形成热载流子时，也有可能与声子发生碰撞，此时，热载流子会改变方向，直接注入到栅氧化层中，这一部分的热载流子会造成电器阀值电压的变化，从而影响到整个电器的使用。

1.2 金属化及电迁移

电迁移是一种物理现象，是指在强电流的影响下，金属原子会发生移动迁移。电迁移中，原子的运动是指向性的，其运动方向和电流方向一致，这使得金属原子会不断从电子阴极向电子阳极运动，并在阴极形成空洞，而在阳极的地方发生原子堆积现象，这种现象会导致电截面积缩小，从而加速运行，最终造成电器失效。

电迁移的发生条件是在直流电流的使用情况下，金属的离子会发生指向性运动。具体表现为电阻值的增加。随着离子的不断运动，金属膜在局部会形成空洞，或者在局部会形成堆积，出现凸出，造成原有的电路发生短路，电器发生损伤，从而减少了电器的使用寿命，在微电子中，集成电路已经是以亚微米或者更小的单位来计算，金属连接的宽度也在逐渐的减少，更加容易造成金融电迁移现象。

1.3 静电放电

通常情况下，静电放电的能量比较小，对传统的微电子器件影响也比较小。但是随着高密度微电子产品的广泛使用，静电放电也受到了科学家重视。在高密度微电子器件中，静电放电所释放出的电场和电流也会对其造成损伤，通常变现为器件数据受损或丢失，器件功能发生复位等，这对微电子器件的使用带来严重影响。据不完全统计，在微电子产品中，由于静电放电原因造成器件受损或失效的高达26%，已经成为微电子器件的第一“杀手”。

在静电放电中，最常见的表象就是直接损伤，释放的电流会融化电器中的某个部位造成电器失效。微电子器件常暴露在静电的环境下，器件也会受到影响，高电流下，会使器件的温度上升，严重的会造成金属融化，或氧化层击穿。

1.4 栅氧化层及栅氧击穿

随着MOS集成电路的发展，栅氧化层已经朝微细化，薄膜化的趋势发展，但是外部所使用的电流电压却没有降低，较高的电场强度没有改变。但是薄膜化的栅氧化层抗电性的能力却在下降，一些抗击穿性差的集成电路会出现参数不稳的现象，直接造成漏电、阀电压漂移、栅氧化层击穿等，严重影响了微电子器件的使用。

2 提高微电子器件可靠性的主要措施

2.1 抑制热载流子效应的措施

在集成电路设计中，通常会减小沟通道长度或者减小氧化层厚度来增加集成电路的运算速度，但这些设计又容易造成热载流子效应，为了减少热载流子的影响，可采取以下措施：首先是减小漏接附近的电场，改善集成电路使用的环境，降低其发生的可能性。其次在减小氧化层厚度的同时，可提高氧化层的质量，通过干法氧化技术提高质量，降低热载流子截面，减少热载流子的注入。最后，在电路的设计上，可以采用钳位器件或者设计新的结构，例如低掺杂漏等。

2.2 改善金属化引起可靠性问题的方法

改善金属化电迁移现象常见的方法有界面效应、合金效应等。所谓的界面效应是指热电应力的增大，会使金属与金属或者金属与半导体之间的界面扩散，造成漏电、短路等现象，解决这一问题最好的办法就是在金属与金属之间或者金属与半导体之间增加一层阻挡层。由于对熔点、热稳定、化学性都有一定的要求，阻挡层材料应使用高性能材料。其实此是合金效应。在微电子器件中，Al金属被广泛使用，但由于Al金属的特性，也极易造成点迁移现象。在使用的过程可以通过将Al金属中加入适当比例的Cu，以此来改进Al膜的电迁移寿命。同时，也可以加入适当比例的Si，以此来减小互溶，也就是采用Al-Si-Cu合金，改善电迁移现象。

2.3 静电放电防护措施

静电放电防护措施很多，常见的有以下几种方式。一是接地，就是将物体表面都连接一个固定的接地体，将静电放电释放的电流引到大地，从而减少静电荷积累。二是安装防静电周转箱，通过设备减少静电放电。三是在生产微电子产品时，要求工作人员穿戴防静电服装，在使用时，可以在微电子产品上喷涂防静电剂。

2.4 改善栅氧化层击穿影响器件可靠性的措施

栅介质的击穿现象主要是由于所积累的正电荷，为了解决这一问题，可以在栅介质适当的加入N，用来提高栅介质的抗击穿能力。这主要是因为利用补偿功能，具体而言是其具有补偿氧化物陷阱的作用，

3 结 论

通过研究发现，影响微电子器件可靠性的因素主要有热载流子效应、栅氧化层、金属化电迁移以及静电放电，现在的科学技术还无法达到完全保障微电子器件的可靠性，但是可以针对以上原因采取相应的措施，来改善微电子器件可靠性的情况。常用的办法有：一是减少小沟通道长度、减薄氧化层厚度以减少热载流子效应造成的电器损伤。二是增加阻隔层、使用金属合金以减少金属化及电迁移造成的电器损伤。三是改善电器使用环境，建立无静电环境的方式减少静电放电的影响。四是栅介质加入适当的N，以此来提高抗击穿能力。

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作者简介：李晓松（1997.11-），男，汉族，安徽淮南人，本科在读。研究方向：微电子科学与工程。