《半导体器件的失效机理和模型》将针对硅基半导体器件常见的失效机理展开研究。这些失效机理大致按照从硅到封装器件的半导体生产工艺流程进行了分类：前段制程（FEoL）、后段制程（BEoL）和封装/界面失效机理。

注：失效机理研究只包括那些业界相对成熟，同时还包括这些失效机理的模型研究现状。内容主要来源为国内外文献的翻译整理，供大家学习参考。

一图看懂什么是FEoL，什么是BEoL，图片来源于胜科纳米宣传资料

各阶段常见的典型失效机理

前段制程（FEoL）常见的失效机理

1）与时间相关的电介质击穿（TDDB）-- 栅极氧化物

2）热载流子注入（HCI）

3）负偏压温度不稳定性（NBTI）

4）表面反转（移动离子）

5）浮栅非易失性存储器数据保持

6）局部电荷捕获非易失性存储器数据保持

7）相变（PCM）非易失性存储器数据保持

后段制程（BEoL）常见的失效机理

1）与时间相关的电介质击穿（TDDB）-- 层间电介质/低k值/移动铜离子

2）铝电迁移（Al EM）

3）铜电迁移（Cu EM）

4）铝和铜腐蚀

5）铝应力迁移（Al SM）

6）铜应力迁移（Cu SM）

封装/界面常见的失效机理

1）因温度循环和热冲击导致的疲劳失效

2）因温度循环和热冲击导致的界面失效

3）因高温导致的金属间化合物和氧化失效

4）锡须

5）离子迁移动力学（PCB）--组件清洁度

本文对FEoL阶段的表面反转（mobile ions）失效模式进行研究 

金属元素如锂（Li）、钠（Na）和钾（K），有时会出现在半导体加工材料中。在二氧化硅（SiO2）中，在适度的电场（约0.5MV/cm）和温度（100°C）条件下，这些金属离子具有很强的迁移性。在Si-SiO2界面处金属离子的积累会导致表面反转，使芯片漏电流增加甚至导致芯片故障。 

因为钠和钾的迁移率高，且在许多半导体材料中很常见，故这两种离子通常做为常见的可疑移动离子。在偏压下，它们可以从多晶硅漂移到硅衬底。在Si-SiO2界面处正离子的积累会使表面反转，并严重降低SiO2的隔离性能。二氧化硅栅极电介质中的离子漂移也会导致发生TDDB失效。对于 EPROM 而言，在带负电的多晶硅浮栅周围的移动离子积累会导致数据保留失败。

出现这种由表面反转引起的漏电流增大的故障芯片，在无偏压的高温烘烤过程中可以恢复。烘烤会导致移动离子重新分布，使其远离累积的Si-SiO2界面（对于类似EPROM的器件，则是远离多晶硅浮栅）。

移动离子扩散的活化能取决于几个因素：

1）扩散物质

2）移动离子扩散所通过的介质

3）污染物的浓度

通常，SiO2（及其界面）中移动离子扩散的活化能在0.75 ~1.8eV这个范围。参考文献[1]被认为在比较可靠的活化能参考，其根据基本物理参数计算了25种不同物质的活化能，而且活化能值在后续的研究得到了证实。

mobile ions退化模型受电场和温度的影响。故其失效时间可参考埃林模型：

对于以漂移为主的故障（即恢复部分较小），失效时间方程简化为：

Mobile ions模式寿命预估示例：

目标：

计算加速因子（AF），即AF=TTFuse/TTFaccel

假设条件：

1）正常使用条件为：50°C芯片温度和VG=3.3V

2）加速条件为：150°C和VG=5.0V

3）表观活化能Eaa：0.75eV（以Na+漂移为主的故障）

AF计算公式：

AF=(Tuse/Taccel)(VG,accel/VG,use)*exp[(Eaa/k)(1/Tuse–1/Taccel)]

假设条件代入计算：

AF=((273+50)K/(273+150)K)(5.0V/3.3V)*exp[(0.75eV/8.62x10–5eV/K)(1/(273+50)K–1/(273+150)K)]=[0.7636*1.515]*583.0=~675

结论：从加速应力条件转变到正常使用条件，TTF值将增加到加速应力值的 675倍。在这个总加速因子中，约 1.16 倍是由于移动离子通量，而约 583 倍是由于温度。

参考文献：

1）Stuart, D., “Calculations of Activation Energy of Ionic Conductivity in Silica Glass by Classical Methods,” Journal of the American Ceramic Society, Vol. 37, Issue 12, 1954, pp. 573-580.