淺談因電遷移引發(fā)的半導(dǎo)體失效

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。

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(zhǎng)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。

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?，為失效分析具有里程碑的意義。

按照Black模型公式：

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(zhǎng)。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(zhǎng)，產(chǎn)品平均失效時(shí)間MTTF會(huì)相對(duì)拉得更長(zhǎng)。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。

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(zhǎng)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。

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(guó)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(zhǎng)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)。