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集成电路的可靠性pdf下载

发布时间:2019-05-15 编辑 :本站 / 115次点击
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半导体集成电路的可靠性自旋的电子JJ微电子工艺ReadCampbell,pandChSec,Plummer,SecIC可靠性:成品率=(#有效器件)(总数#产出)随着时间阶段的不同,器件失效有不同的机理:表面的粒子中断淀积,器件产生裂纹由于充电或者介质击穿,氧化物,电介质失效通过腐蚀金属失效电迁移:当器件工作时,金属互连线内有一定电流通过,金属离子会沿导体产生质量的输运,其结果会使导体的某些部位产生空洞或晶须,产生失效(Ohring,p)磁系统:相互扩散,应力自旋电子的可靠性,是一种非挥发性的磁性随机存储器(MRAM)Nov,半导体ICs的可靠性为什么这是个问题JJ微电子工艺有效的成品率是以下的乘积:YxYxY…(eg,a步工艺,每次成品率为=的成品率)““经验曲线””:成品率vs批号和raverageroverlastlots缺陷密,D,,减少,随后又增大动态随机存储器Nov,MITMIT消除缺陷缺陷密度JJ微电子工艺最简单的成品率模型假定是独立的,随机分布缺陷,(泊松分布):AD粒子控制:类(Max#ft)mmNov,生产AD=重叠基片缺陷的几率A=基片面积D=缺陷数面积可靠性的定义JJ微电子工艺累积失效概率,F(t):指产品在规定的条件下,在时间t以前失效的概率,也就是寿命这一随机变量的分布函数可靠度,R(t):R(t)=F(t)失效概率的函数,f(t):f(t)=dFdt(这个对于预测失效率很重要)失效前平均时间,MTTF:MTTF=út~f(t)dt中位寿命,t:器件失效后的时间Nov,可靠性的定义在时间δt内的失效率,λ(t):(部分失效频率)恒稳态的失效率:因此:恒稳态:Nov,JJ微电子工艺失效概率密度残存数:λ(t)=f(t)R(t)稳态幸存的或者可靠性随时间指数下降不同的失效工艺JJ微电子工艺失效率:l(t)不同的失效过程有不同的热激发率:更加实际的例子:对数分布JJ微电子工艺σ==标准偏差t==器件失效的时间s=ln(tt)andMTTF=exp{ln(ts)Nov,Nov,对数正态分布::如果随机变量t的对数服从正态分布时,其概率密度函数为()()lnsmps=tettfNov,对数正态分布能代表种方式中的任何一种,通过改变σJJ微电子工艺对数正态分布JJ微电子工艺如果数据的对数正态图是线性的,则可以发找到σs=ln(tt)Nov,失效前平均时间log(J)Or,ln(MTTF),平均失效率,能够画出关于T的曲线图(Arrhenius图)…Nov,减轻热激化的失效JJ微电子工艺热激化失效速率:TkEBaerr=在更低的温度工作,更低的电流密度用“烧尽”来减少早期失效小心加速老化…有可能得到错误的激活能例子:电迁移Nov,JJ微电子工艺失效前平均时间(MTTF)MTTFμJneEakBTnto(大多数的激化了的失效机理具有以下形式)表示成对数形式:画与Log(J)的曲线图,如右图斜率给出了幂n增大工作电流,MTTF下降对于更高的工作温度,寿命曲线漂移,更快失效电迁移:电子风移走原子vsmovessatomsJJ微电子工艺电迁移:高电流密度异质结构的失效模式(大多数关于电迁移的文献处理半导体器件的金属导体)大的电流密度,J=不仅电荷转移而且带电粒子的质量也转移,电子或者空穴当带电载流子与原子相碰撞时(“电子风”),它们传递小的动量给原子,沿着载流子漂移的方向扫除它们物质A的电迁移量的表达式jA=CAvdriftt,由于电流的存在,需要给离子A一个力:F=qZAE*=qZAJr*Q为电量,ZA*为有效离子的价,E为电场强度(单位电荷所受的力),(Z*qXnqv)r离子–载流子相互作用Nov,所产生的电流密度为:J=EρJJ微电子工艺大多数的电迁移沿着晶粒边界发生对于温度T,在力F:v=DAFRT的作用的粒子,这里采用能斯托爱因斯坦方程式来处理粒子漂移速度电迁移在以下情况有问题高电流密度高电阻率(许多电子原子相碰撞),对于大的晶粒边界扩散,在高温T(与DA为指数关系)对于轻金属(DA是质量A的逆函数)Nov,电迁移损伤:由于流量发散或者温度梯度JJ微电子工艺斐克第二扩散定律阐述物质A的浓度变化是由于JA的发散而引起的,ie浓度梯度可变:~cA~JA~cA==DA~t~x~x加与温度相关的项,如下式:由于流量分散等温质量转移如晶粒边界结温度梯度Nov,DA=DAoexpEa(kBT)DA是晶粒边界扩散系数(DA有代表性的为eVvs体物质大约为eV)JA,与乘积成比例*(A的体积浓度)x(由于F=qZAJr而产生的速度):电迁移现象:晶粒边界扩散晶粒生长JJ微电子工艺晶粒生长也由对数正态分布函数来表示:d=中位晶粒直径Nov,基于自旋的电子器件:本底JJ微电子工艺半导体基础回顾:半导体有两种本征载流子(电子或空穴)有不同的特性:不同的迁移率,浓度和电导率N和P型半导体有不同的费米能级载流子散射到掺杂剂位置形成陷阱Nov,Ptype基于自旋的器件两种载流子,电子自旋平行或者反平行于局部力矩的方向JJ微电子工艺基于旋转(磁性)的电子器件JJ微电子工艺,对于基于自旋的电子器件,包括旋电子管(非磁性的金属被提出)和自旋隧道结(氧化层被提出),向上旋转和向下旋转的电子成为主要部分非磁性金属=低阻抗旋转真空管或旋转开关i可动载流子散射M沿着x方向,随着时间而衰减ρ自旋依赖于电阻率绝缘体高阻抗旋转隧道结(MesserveyandTedrow,,PhysRpts,,(‘‘)MooderaetalPhysRevLett,,((‘‘))不同于半导体器件,基于旋转的器件,其性能随着厚度减少而增强,由于在金属中旋转扩散长度在半导体中的扩散长度Nov,磁阻随机存取存储器(MRAM)(基于旋转电子管或旋转隧道结)JJ微电子工艺无可动部分,非易失性…但是目前的应用还是受到限制,由于比硬盘的密度更低自旋器件:处理,可靠性问题JJ微电子工艺非常大的电流密度(J)Acm=很高的工作温度(T),C),电热失效MTTFμJneEakBT旋转电子管的磁性层nm厚度旋转隧道结的氧化层nm厚度轨道宽度减少到nm不同金属物质的化学反应Nov,高密度磁性随机存取存储器磁性纳米结构被用于电子元件中,比如超灵敏磁场传感器,光学计算元件以及一种新型的”旋转”器件作为例子的是能够代替半导体存储芯片的MRAM,以更快,更低功率,非易失存储器JJ微电子工艺全局连线(W)绝缘层(SiO)Nov,。