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第五章微电子芯片的失效分析
江素华
复旦大学材料科学系
内容提要
1. 芯片结构及元器件工作原理
2. 芯片失效机理
3. 芯片失效分析技术
芯片的制造：单晶、硅片、晶圆、芯片、
封装、组装
集成电路的发展
集成电路的发展
5
补偿性超效应晶
体管器件结构剖
面示意图
芯片多层互联线 芯片互联结构实
结构剖面示意图 物照片
双极型晶体管原理
电子材料与器件工艺－绪论 7
双极型晶体管工艺
双极型晶体管工作原理
E C 放大条件：
+
n p n
I I o
e c 1 W L
b nb
RE B R 2o 发射结正偏
L
V I V
be b cb 3o 集电结反偏
MOS场效应晶体管原理（NMOS）
CMOS 工艺流程
器件的不断小型化
2. 芯片的失效机理
2.1 氧化层击穿
2.2 热载流子效应
2.3 薄膜的相互扩散
2.4 静电放电及辐射
2.5 金属互联电迁移
2.1 氧化层击穿
• 在强电场作用下，绝缘体中出现局部的
低阻通道。
• 随着氧化层厚度减小，电场增加，击穿
问题成为研究热点。
介质薄膜的击穿过程
• 一般击穿分成两个过程：
– 电击穿：强场下载流子雪崩，产生大量电子、
空穴，电阻突降。
– 热击穿：局部电流密度增大，温度升高产生
热奔驰，使薄膜熔化或产生其他损坏。
介质薄膜电击穿的分类
• 非本征击穿——其击穿强度较低。
• 本征击穿是指材料自身特性所限制而发生的击
穿——击穿强度较高。
关于氧化层击穿理论的发展
1. 电子贡献的总能量而非单个电子的能量。
2. 热奔驰现象。
3. 电子和原子晶格之间的碰撞而产生的电
子倍增或雪崩现象。
4. 阴极场发射电荷注入。
5. 可动电荷。
6. 介质表面粗糙度引起的电场增大。
7. 由碰撞电离引发的内部电场畸变。
8. 界面态
氧化层导电机制
注入氧化层的电流有：
1. 热载流子电流
2. 场助隧道电流(Fowler-Nordheim F-N电流)
3. 直接隧道电流
4. Poole-Fr
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