文章來源：半導(dǎo)體與物理

原文作者：jjfly686

本文主要講述芯片可靠性。

芯片可靠性是一門研究芯片如何在規(guī)定的時(shí)間和環(huán)境條件下保持正常功能的科學(xué)。它關(guān)注的核心不是芯片能否工作，而是能在高溫、高電壓、持續(xù)運(yùn)行等壓力下穩(wěn)定工作多久。隨著晶體管尺寸進(jìn)入納米級(jí)別，芯片內(nèi)部猶如一個(gè)承受著巨大電、熱、機(jī)械應(yīng)力考驗(yàn)的微觀世界，其可靠性面臨著原子尺度的根本性挑戰(zhàn)。

柵氧擊穿

在芯片的每個(gè)晶體管中，柵極與溝道之間隔著一層極薄的二氧化硅絕緣層，稱為柵氧。在先進(jìn)制程中，這層材料的厚度僅相當(dāng)于幾個(gè)原子的直徑。它的作用是隔絕柵極電壓，防止漏電。然而，當(dāng)施加在它上面的電場強(qiáng)度過高時(shí)，問題就會(huì)出現(xiàn)。

柵氧擊穿的機(jī)理類似于堤壩在高水壓下出現(xiàn)管涌直至崩潰。強(qiáng)電場會(huì)使電子以極高的能量隧穿或注入到氧化層中。這些電子在氧化層中撞擊原子，逐漸造成微觀缺陷的積累。隨著時(shí)間推移，這些缺陷連接成一條導(dǎo)電路徑，導(dǎo)致柵極與溝道之間發(fā)生瞬間短路，晶體管永久失效。這一過程被稱為“時(shí)間依賴介電擊穿”。工藝波動(dòng)導(dǎo)致氧化層局部變薄、芯片工作時(shí)電壓波動(dòng)或靜電放電，都可能誘發(fā)或加速這一過程。

金屬電遷移

芯片內(nèi)部密布著總長度可達(dá)數(shù)十公里的金屬互連線，負(fù)責(zé)在不同晶體管之間傳遞電流和信號(hào)。當(dāng)電流密度非常高時(shí)，流動(dòng)的電子會(huì)與金屬原子發(fā)生動(dòng)量交換，形成一股持續(xù)的“電子風(fēng)”。

這股力量會(huì)推動(dòng)金屬原子沿著電子流動(dòng)的方向緩慢遷移。經(jīng)年累月，原子遷出的區(qū)域會(huì)形成微觀的“空洞”，導(dǎo)致導(dǎo)線電阻增大甚至完全斷開，造成開路失效。而在原子堆積的區(qū)域，則可能形成“小丘”，可能刺穿絕緣層與相鄰導(dǎo)線短路，或?qū)е聦娱g連接失效。電遷移的速率與電流密度的平方成正比，并隨溫度升高呈指數(shù)增長。因此，高性能芯片在計(jì)算密集型任務(wù)時(shí)，局部過熱和高電流會(huì)顯著加劇這一風(fēng)險(xiǎn)。

界面態(tài)不穩(wěn)定

在硅襯底與柵氧層之間的交界處，存在著一個(gè)原子尺度上的模糊界面。這里可能存在未完美結(jié)合的化學(xué)鍵（懸掛鍵）或其他晶格缺陷，形成所謂的“界面態(tài)”。

這些界面態(tài)如同能量陷阱，可以捕獲或釋放電荷載流子（電子或空穴）。在外加電場（特別是柵壓）和溫度應(yīng)力的共同作用下，界面處的電荷分布會(huì)發(fā)生變化。例如，正偏置溫度不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致閾值電壓漂移，使晶體管開關(guān)變得遲緩或提前；熱載流子注入則可能造成性能的永久性退化。這種不穩(wěn)定性的直接后果是晶體管的關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)（如閾值電壓、跨導(dǎo)）隨時(shí)間發(fā)生漂移，導(dǎo)致電路時(shí)序出錯(cuò)、功耗增加、信號(hào)噪聲變大，最終使芯片性能偏離設(shè)計(jì)指標(biāo)。