IC设计中的四种常见失效机理：EM, TDDB, NBTI/PBTI, HCI

四种常见的器件失效机理

1. EM：Electron Migration，电迁移

2. TDDB：Time Dependent Dielectric Breakdown，经时击穿

3. NBTI：Negative-Bias Temperature Instability，负偏置温度不稳定性

   PBTI：Positive Bias Temperature Instability，正偏置温度不稳定性

4. HCI：Hot Carrier Injection，热载流子注入

EM：

• EM：指在高电流密度下电子的流动导致金属原子移动的现象，也称之为“金属迁移”。在电流密度很高的导体上，电子的速度较快，可能使一些金属原子脱离金属表面到处流窜，结果将会导致原本光滑的金属导线的表面变得凹凸不平，进而造成永久性损伤。

• 这种损伤是个逐渐积累的过程，当这种“凹凸不平”多到一定程度的时候，将会导致IC互连线路出现空洞、断裂或短路的现象，而最终使得IC报废。温度越高，金属离子越活泼，电子越容易推动这种迁移，其损害线路花费的时间就越少，即IC的寿命也就越短，这也就是高温会缩短IC寿命的本质原因。

• 影响因素：温度，电流密度，几何尺寸和形状，金属材料

电迁移现象示意图

TDDB：

• 经时击穿（TDDB）：指栅氧化层等薄介质材料在长期电场作用下逐渐退化，最终导致绝缘失效的现象。其核心机理是介质内部缺陷（如针孔、杂质）在高电场下引发电荷注入和陷阱积累，最终形成导电通路。失效时间 tBD 与电场强度 E 和温度 T 密切相关。

• 栅氧化层寿命预测：通过加速测试（施加高于工作电场的电压），测量不同条件下的 tBD，外推实际工作电场下的器件寿命。例如，用 E 模型（热化学击穿模型）或 1/E 模型（空穴诱导击穿模型）进行拟合。

• 下图对比了在SiO₂和HfO₂两种材料中，由双电子注入引发的导致氧化层退化和击穿的微观机制。过程始于氧化层中存在的缺陷前体（Defect precursor, P），在SiO₂中为宽O-Si-O键，在HfO₂中为氧空位（Vo）。当缺陷捕获两个电子后，会生成一个间隙氧离子（O²⁻）和一个氧空位（Vo）。新生成的 Vo 在捕获两个电子后，又会形成新的 Defect precursor，这一循环持续进行，直至氧化层发生击穿。

• 在SiO₂中，宽O-Si-O键作为 precursor（图a），而在HfO₂中，Vo 是最常见的 Defect precursor 位点（图f）。然而，在这两种情况下，当一个P位点捕获2e⁻（如图b所示为SiO₂，图g所示为HfO₂）时，相邻的键被削弱，再加上电场和温度的影响，导致 Frenkel 对的形成，即中性的Vo（这些是主要协助介电层中电荷传输的缺陷）和氧离子（O²⁻），见图c（SiO₂）和图h（HfO₂）。新生成的 Vo 可能会增加漏电流，并最终导致介电击穿。此外，如图d-e所示，当生成的 Vo 捕获 2e⁻（即图中的Vo²⁻）时，在其附近会形成一个新的 Defect precursor 位点（即对于SiO₂来说是宽O-Si-O键），从而促进一个自维持过程。在HfO₂中，Vo 既作为增加漏电流（最终导致介电击穿, dielectric breakdown）的缺陷，又作为 Defect precursor 位点，协助新 Vo 缺陷的形成。

• 工艺缺陷检测：TDDB 测试可暴露二氧化硅层中的针孔、杂质等微观缺陷。初始微缺陷可能被薄氧化层暂时覆盖，但长期电场作用会通过 TDDB 效应引发击穿失效。

• 影响因素：电场强度（高电场显著加速TDDB过程）；温度（温度升高会缩短失效时间）；介质质量（SiO2, HfO2 等栅介质厚度均匀性、界面态密度、杂质含量直接影响TDDB寿命）。

NBTI：

• NBTI：指在 IC 芯片工作中，PMOS 的栅极氧化层在受到负偏置和高温作用时，其性能发生退化的一种现象。具体表现为 MOS 管的阈值电压 VT 发生正向漂移，导致导通电流 Ion 下降、延迟增加，最终影响芯片的 performance and reliability.

NBTI

MOSFET导电通道中的空穴反型层破坏了位于Si/IL界面的Si-H键；释放出的氢原子从界面过渡层（SiOx）和IL内扩散；当到达Si/IL界面时，这些氢原子与更多的氢原子反应，破坏Vo-H（Oxygen vacancies passivated with hydrogen，被氢钝化的氧空位）键。键破坏后会产生悬挂键，并且在界面层内形成H₂分子，因此在较长的应力作用时间下，NBTI将由从Si/IL到IL/HK界面的H₂分子扩散所主导。

• 捕获空穴 ：在负偏置条件下，栅极电压吸引空穴向栅极氧化层界面移动。这些空穴会被氧化层中的陷阱捕获，形成固定的正电荷。捕获的空穴会改变氧化层的电场分布，导致阈值电压发生漂移。

• Si-H 键的断裂与重构：在负偏置电场的作用下，由于 Si-H 键的键能相对较小，氢原子容易从 Si-H 键中解离出来，形成氢空位和悬挂键。悬挂键会增加界面态密度，捕获更多的空穴，加剧阈值电压的漂移。同时，解离出来的氢原子可能在氧化层中迁移，重新与其它硅原子结合，形成新的 Si-H 键，这一过程可称为重构。重构虽然可以在一定程度上恢复晶体管的性能，但无法完全抵消 Si-H 键断裂带来的负面影响。

• 详细地说，当晶体管开始工作时，PMOS 晶体管的栅源电压处于负偏置状态（Vgs=-Vdd）时，当经历高温和一定时间的负偏置状态后，在 Si-SiO2 界面处作用力较弱的 Si-H 键会发生断裂，使沟道内留下界面陷阱和氢原子。而氢原子的不稳定性会使其更容易结合成氢气，并从器件的栅极溢出。伴随负偏置状态持续时间不断增加，界面陷阱的密度呈直线上升，导致PMOS晶体管的阈值电压 VT 也不断升高；当PMOS晶体管的栅源电压处于正偏置状态（Vgs=0）时，这个阶段可以成为重构阶段。此时，之前由氢原子结合成的部分氢气在获得能量的情况下重新断开，并在反向电场的作用下与界面陷阱（Si+）重新结合形成新的 Si-H 键，这样会使沟道内的界面陷阱的密度下降，从而使得晶体管的阈值电压得到恢复。

PBTI：

• 随着工艺节点的推进，PBTI 也不容忽视。PBTI的全称是 Positive Bias Temperature Instability，它与 NBTI（Negative Bias Temperature Instability）类似，但作用于 NMOS 而非 PMOS。PBTI是指在芯片工作过程中，NMOS 晶体管的栅极氧化层在受到正偏置和高温作用时，其性能发生退化的一种现象。具体表现为晶体管的阈值电压发生负向漂移，导致驱动电流下降、延迟增加。

PBTI

与NBTI一样，PBTI模型由三个相互独立的组成部分：

（1）界面陷阱在IL/HK界面的产生；

（2）电子被陷阱捕获进入HK介质层中的预先存在的缺陷；

（3）在应力作用下，HK介质层内陷阱的产生。

图中显示了在HKMG技术中，PBTI由界面陷阱生成所主导。在这种情况下，界面陷阱的生成在界面和高-κ介质层之间，以及在高-κ介质层内被钝化的氧空位的激活，都是由于电子在沟道处于反型时隧穿进入界面介质并向IL/HK界面移动，导致Vo-H键断裂。在IL/HK界面释放的氢原子扩散、反应，并在高-κ介质和金属栅电极（HK/MG）界面处破坏钝化的缺陷。从HK/MG界面扩散的H₂分子是PBTI的主导因素。

相关链接：Gate first 和 Gate last 对比

对于NBTI效应来说，加反向电压能进入恢复模式；对于HCI效应来说，停止使用能进入恢复模式。但是虽然可以一定程度上恢复部分性能，但长时间而言，芯片是会逐渐老化的。

HCI：

在短沟道晶体管中，由于Si–SiO2界面附近的高电场，电子或空穴可以从电场中获得足够的能量，以跨越界面势垒并进入氧化层。这种效应被称为热载流子注入。相较于空穴，电子从Si注入到SiO2的可能性更大，因为电子的有效质量低于空穴，并且空穴的势垒高度高于电子的势垒高度。热载流子：在高电场中，载流子被加速并获得高能量，这些高能载流子称为热载流子。注入机制：热载流子可能穿过栅氧化层，导致氧化层损伤或界面态增加。

在MOSFET中，HCI的产生主要与以下四种机制相关：

详细的HCI介绍可以看之前发的文章：链接如下: Leakage current mechanism-HCI-热载流子注入漏电

四大失效机理对比图

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.