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四種常見的器件失效機理

EM：Electron Migration，電遷移

TDDB：Time Dependent Dielectric Breakdown，經時擊穿

NBTI：Negative-Bias Temperature Instability，負偏置溫度不穩定性

PBTI：Positive Bias Temperature Instability，正偏置溫度不穩定性

HCI：Hot Carrier Injection，熱載流子注入

EM：

EM：指在高電流密度下電子的流動導致金屬原子移動的現象，也稱之為“金屬遷移”。在電流密度很高的導體上，電子的速度較快，可能使一些金屬原子脫離金屬表面到處流竄，結果將會導致原本光滑的金屬導線的表面變得凹凸不平，進而造成永久性損傷。

這種損傷是個逐漸積累的過程，當這種“凹凸不平”多到一定程度的時候，將會導致IC互連線路出現空洞、斷裂或短路的現象，而最終使得IC報廢。溫度越高，金屬離子越活潑，電子越容易推動這種遷移，其損害線路花費的時間就越少，即IC的壽命也就越短，這也就是高溫會縮短IC壽命的本質原因。

影響因素：溫度，電流密度，幾何尺寸和形狀，金屬材料

電遷移現象示意圖

TDDB：

經時擊穿（TDDB）：指柵氧化層等薄介質材料在長期電場作用下逐漸退化，最終導致絕緣失效的現象。其核心機理是介質內部缺陷（如針孔、雜質）在高電場下引發電荷注入和陷阱積累，最終形成導電通路。失效時間 tBD 與電場強度 E 和溫度 T 密切相關。

柵氧化層壽命預測：通過加速測試（施加高于工作電場的電壓），測量不同條件下的 tBD，外推實際工作電場下的器件壽命。例如，用 E 模型（熱化學擊穿模型）或 1/E 模型（空穴誘導擊穿模型）進行擬合。

下圖對比了在SiO?和HfO?兩種材料中，由雙電子注入引發的導致氧化層退化和擊穿的微觀機制。過程始于氧化層中存在的缺陷前體（Defect precursor, P），在SiO?中為寬O-Si-O鍵，在HfO?中為氧空位（Vo）。當缺陷捕獲兩個電子后，會生成一個間隙氧離子（O²?）和一個氧空位（Vo）。新生成的 Vo 在捕獲兩個電子后，又會形成新的 Defect precursor，這一循環持續進行，直至氧化層發生擊穿。

在SiO?中，寬O-Si-O鍵作為 precursor（圖a），而在HfO?中，Vo 是最常見的 Defect precursor 位點（圖f）。然而，在這兩種情況下，當一個P位點捕獲2e?（如圖b所示為SiO?，圖g所示為HfO?）時，相鄰的鍵被削弱，再加上電場和溫度的影響，導致 Frenkel 對的形成，即中性的Vo（這些是主要協助介電層中電荷傳輸的缺陷）和氧離子（O²?），見圖c（SiO?）和圖h（HfO?）。新生成的 Vo 可能會增加漏電流，并最終導致介電擊穿。此外，如圖d-e所示，當生成的 Vo 捕獲 2e?（即圖中的Vo²?）時，在其附近會形成一個新的 Defect precursor 位點（即對于SiO?來說是寬O-Si-O鍵），從而促進一個自維持過程。在HfO?中，Vo 既作為增加漏電流（最終導致介電擊穿, dielectric breakdown）的缺陷，又作為 Defect precursor 位點，協助新 Vo 缺陷的形成。

工藝缺陷檢測：TDDB 測試可暴露二氧化硅層中的針孔、雜質等微觀缺陷。初始微缺陷可能被薄氧化層暫時覆蓋，但長期電場作用會通過 TDDB 效應引發擊穿失效。

影響因素：電場強度（高電場顯著加速TDDB過程）；溫度（溫度升高會縮短失效時間）；介質質量（SiO2, HfO2 等柵介質厚度均勻性、界面態密度、雜質含量直接影響TDDB壽命）。

NBTI：

NBTI：指在 IC 芯片工作中，PMOS 的柵極氧化層在受到負偏置和高溫作用時，其性能發生退化的一種現象。具體表現為 MOS 管的閾值電壓 VT 發生正向漂移，導致導通電流 Ion 下降、延遲增加，最終影響芯片的 performance and reliability.

MOSFET導電通道中的空穴反型層破壞了位于Si/IL界面的Si-H鍵；釋放出的氫原子從界面過渡層（SiOx）和IL內擴散；當到達Si/IL界面時，這些氫原子與更多的氫原子反應，破壞Vo-H（Oxygen vacancies passivated with hydrogen，被氫鈍化的氧空位）鍵。鍵破壞后會產生懸掛鍵，并且在界面層內形成H?分子，因此在較長的應力作用時間下，NBTI將由從Si/IL到IL/HK界面的H?分子擴散所主導。

捕獲空穴 ：在負偏置條件下，柵極電壓吸引空穴向柵極氧化層界面移動。這些空穴會被氧化層中的陷阱捕獲，形成固定的正電荷。捕獲的空穴會改變氧化層的電場分布，導致閾值電壓發生漂移。

Si-H 鍵的斷裂與重構：在負偏置電場的作用下，由于 Si-H 鍵的鍵能相對較小，氫原子容易從 Si-H 鍵中解離出來，形成氫空位和懸掛鍵。懸掛鍵會增加界面態密度，捕獲更多的空穴，加劇閾值電壓的漂移。同時，解離出來的氫原子可能在氧化層中遷移，重新與其它硅原子結合，形成新的 Si-H 鍵，這一過程可稱為重構。重構雖然可以在一定程度上恢復晶體管的性能，但無法完全抵消 Si-H 鍵斷裂帶來的負面影響。

詳細地說，當晶體管開始工作時，PMOS 晶體管的柵源電壓處于負偏置狀態（Vgs=-Vdd）時，當經歷高溫和一定時間的負偏置狀態后，在 Si-SiO2 界面處作用力較弱的 Si-H 鍵會發生斷裂，使溝道內留下界面陷阱和氫原子。而氫原子的不穩定性會使其更容易結合成氫氣，并從器件的柵極溢出。伴隨負偏置狀態持續時間不斷增加，界面陷阱的密度呈直線上升，導致PMOS晶體管的閾值電壓 VT 也不斷升高；當PMOS晶體管的柵源電壓處于正偏置狀態（Vgs=0）時，這個階段可以成為重構階段。此時，之前由氫原子結合成的部分氫氣在獲得能量的情況下重新斷開，并在反向電場的作用下與界面陷阱（Si+）重新結合形成新的 Si-H 鍵，這樣會使溝道內的界面陷阱的密度下降，從而使得晶體管的閾值電壓得到恢復。

PBTI：

隨著工藝節點的推進，PBTI 也不容忽視。PBTI的全稱是 Positive Bias Temperature Instability，它與 NBTI（Negative Bias Temperature Instability）類似，但作用于 NMOS 而非 PMOS。PBTI是指在芯片工作過程中，NMOS 晶體管的柵極氧化層在受到正偏置和高溫作用時，其性能發生退化的一種現象。具體表現為晶體管的閾值電壓發生負向漂移，導致驅動電流下降、延遲增加。

與NBTI一樣，PBTI模型由三個相互獨立的組成部分：

（1）界面陷阱在IL/HK界面的產生；

（2）電子被陷阱捕獲進入HK介質層中的預先存在的缺陷；

（3）在應力作用下，HK介質層內陷阱的產生。

圖中顯示了在HKMG技術中，PBTI由界面陷阱生成所主導。在這種情況下，界面陷阱的生成在界面和高-κ介質層之間，以及在高-κ介質層內被鈍化的氧空位的激活，都是由于電子在溝道處于反型時隧穿進入界面介質并向IL/HK界面移動，導致Vo-H鍵斷裂。在IL/HK界面釋放的氫原子擴散、反應，并在高-κ介質和金屬柵電極（HK/MG）界面處破壞鈍化的缺陷。從HK/MG界面擴散的H?分子是PBTI的主導因素。

對于NBTI效應來說，加反向電壓能進入恢復模式；對于HCI效應來說，停止使用能進入恢復模式。但是雖然可以一定程度上恢復部分性能，但長時間而言，芯片是會逐漸老化的。

HCI：

在短溝道晶體管中，由于Si–SiO2界面附近的高電場，電子或空穴可以從電場中獲得足夠的能量，以跨越界面勢壘并進入氧化層。這種效應被稱為熱載流子注入。相較于空穴，電子從Si注入到SiO2的可能性更大，因為電子的有效質量低于空穴，并且空穴的勢壘高度高于電子的勢壘高度。熱載流子：在高電場中，載流子被加速并獲得高能量，這些高能載流子稱為熱載流子。注入機制：熱載流子可能穿過柵氧化層，導致氧化層損傷或界面態增加。

在MOSFET中，HCI的產生主要與以下四種機制相關：

四大失效機理對比圖

Reference:

1.Advanced Concepts for TDDB Reliability in Conjunction with 3D Stress.

2.From Accelerated to Operating Conditions: HowTrapped Charge Impacts on TDDB inSiO2 and HfO2 Stacks.

3.Model of NBTI combined with mobility degradation.

4.On the Prediction of the Threshold Voltage Degradation in CMOS Technology Due to Bias-Temperature Instability.