淺談因電遷移引發(fā)的半導體失效

前言

半導體產(chǎn)品老化是一個(gè)自然現象，在電子應用中，基于環(huán)境、自然等因素，半導體在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間連續工作之后，其功能會(huì )逐漸喪失，這被稱(chēng)為功能失效。半導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)的失效機理最為突出。技術(shù)型授權代理商Excelpoint世健的工程師Wolfe Yu在此對這一現象進(jìn)行了分析。

1、 背景

從20世紀初期第一個(gè)電子管誕生以來(lái)，電子產(chǎn)品與人類(lèi)的聯(lián)系越來(lái)越緊密，特別是進(jìn)入21世紀以來(lái)，隨著(zhù)集成電路的飛速發(fā)展，人們對電子產(chǎn)品的需求也變得愈加豐富。隨著(zhù)電子產(chǎn)品的普及，電子產(chǎn)品失效率越來(lái)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)者參與到半導體失效分析的研究中。經(jīng)過(guò)大量研究分析和仿真，學(xué)者總結出：由于電流的作用，導致導線(xiàn)中的金屬原子與電子通過(guò)摩擦產(chǎn)生電遷移位移現象所引發(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(mǎn)足失效分布函數曲線(xiàn)，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

電遷移現象主要發(fā)生在半導體在通電狀態(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)生移位現象，這一現象被稱(chēng)為電遷移。

圖 1. 電遷移作用力引發(fā)半導體失效原理

如圖所示，在電場(chǎng)作用下，半導體在導通過(guò)程中，正電荷會(huì )同時(shí)受到靜電場(chǎng)力和電子高速運動(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，從而導致正電荷——也就是金屬原子，產(chǎn)生移位，這一現象稱(chēng)為電遷移效應或電遷移現象。經(jīng)過(guò)長(cháng)期積累，半導體的部分連接就會(huì )形成不連貫的晶須（Hillock）或空洞（Void），最終導致半導體元器件失效。

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）的數據擬合經(jīng)驗模型，為失效分析具有里程碑的意義。

按照Black模型公式：

半導體元器件的失效機理與材料、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，絕對溫度T等因素相關(guān)。Blench和Korhonen等人進(jìn)一步對電遷移物理模型進(jìn)行完善。半導體元器件的失效機理單元模型壽命可靠度函數符合歐拉公式。

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

3、 常規解決方案

（1） 報廢機制

企業(yè)通常利用產(chǎn)品生命周期管理方式，通過(guò)對產(chǎn)品生命周期進(jìn)行分析，為產(chǎn)品設計一個(gè)報廢界定時(shí)間。在汽車(chē)、水電氣表等行業(yè)采用這種方式比較常見(jiàn)。

（2） 系統冗余

在保障性系統設計中，企業(yè)一般在報廢機制的基礎之上，還會(huì )通過(guò)采用雙備份冗余設計、或者K/N表決冗余，并加上系統修復的方式進(jìn)行系統設計。

4、 技術(shù)源頭控制

（1） 工藝控制理論

根據Black模型理論，當半導體采用寬線(xiàn)徑工藝，橫截面積較大時(shí)，其芯片壽命會(huì )變長(cháng)，產(chǎn)品平均失效時(shí)間MTTF會(huì )相對拉得更長(cháng)。這也從側面解釋了為什么傳統工藝設計出來(lái)的產(chǎn)品可靠性更高。

（2） 差異化技術(shù)控制方法

在芯片原理設計中，采用不同的拓撲架構模型，通過(guò)差異化技術(shù)實(shí)現不同的控制方法也很常見(jiàn)，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(lái)完成不同的產(chǎn)品拓撲模型。在ADC、DAC、運算放大器、比較器等模型設計中十分常見(jiàn)。

在一些設計場(chǎng)合，通過(guò)調整芯片輸入閾值，降低芯片靈敏度，或通過(guò)控制芯片切換頻率，降低電流密度，達到提高產(chǎn)品可靠性的目的。

在核心處理芯片模型設計中，根據不同的應用場(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)行芯片架構設計，比如從CMOS衍生出來(lái)的SRAM、DRAM、ROM、EEPROM、Flash等工藝用于不同的處理器產(chǎn)品架構中，會(huì )達到出不同的可靠性效果。

圖 3.不同工藝模型芯片單元架構

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)品方案應用中，基于SRAM和Flash工藝的MCU、MPU或FPGA處理器占據了絕大多數應用場(chǎng)景。

5、 Microchip高可靠性Flash FPGA介紹

SRAM工藝的處理器是通過(guò)CMOS內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(hù)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)生米勒效應極其容易受到外界干擾，產(chǎn)生翻轉。另外，CMOS在翻轉過(guò)程中，內阻變小，電流密度過(guò)大，芯片長(cháng)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FPGA處理器。

圖4.Flash架構FPGA與SRAM架構FPGA的差別

Microchip的FPGA 產(chǎn)品范圍覆蓋從低端到中端應用，其產(chǎn)品特點(diǎn)以抗單粒子翻轉、安全、低功耗和上電即工作著(zhù)稱(chēng)，廣泛應用于通信、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, 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，還具有強大的DSP/數學(xué)模塊（18x18乘法器），可用于當前熱門(mén)的AI市場(chǎng)。

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

關(guān)于世健——亞太區領(lǐng)先的元器件授權代理商 

世健是完整解決方案的供應商，為亞洲電子廠(chǎng)商包括原設備生產(chǎn)商（OEM）、原設計生產(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、工程設計及供應鏈管理服務(wù)。多次被權威雜志和行業(yè)機構列入全球領(lǐng)先分銷(xiāo)商榜單。

世健與供應商及電子廠(chǎng)商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢作出定位，并幫助客戶(hù)把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當中。世健分別在新加坡、中國及越南設有研發(fā)中心，專(zhuān)業(yè)的研發(fā)團隊不斷創(chuàng )造新的解決方案，幫助客戶(hù)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計可應用于工業(yè)、無(wú)線(xiàn)通信及消費電子等領(lǐng)域。

世健擁有超過(guò)35年歷史、逾700名員工，業(yè)務(wù)擴展至亞太區的49個(gè)城市和地區，遍及新加坡、馬來(lái)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，世健在香港設立區域總部——世健系統（香港）有限公司，正式開(kāi)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(zhuān)業(yè)的研發(fā)團隊、頂尖的現場(chǎng)應用支持以及豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗，世健在中國業(yè)內享有領(lǐng)先地位。