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半导体可靠性分析——TDDB分析

半导体可靠性分析——TDDB分析 广立微DE-G
2024-12-19
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TDDB的定义



















TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)即经时介电层击穿,指的是在栅氧化层在偏压条件下工作时,漏电流逐渐增加的过程,最终导致氧化层击穿,使其失去绝缘功能。通常,栅氧化层的可靠性测试是在恒定电压下进行的,其在此条件下能承受的时间即为其寿命。


TDDB失效模型




















TDDB的被广泛研究的解释模型很多,包括1/E模型、E模型、电压幂函数模型(V-n)、指数E1/2模型。

阳极空穴注入模型

Anode hole injection model,1/E Model


该模型假设电场诱导的电荷捕获和陷阱生成是导致失效的主要因素, 1/E模型建立在F-N隧穿电流的外推模型,器件失效时间与电场的倒数1/E成指数关系。

热化学模型

Electrochemical model,E Model


该模型基于热化学反应,认为电场加热导致化学键断裂和缺陷生成。其缺点是不能解释电压的极性特性,而基于电流的模型可以很好的解释TDDB极性相关的特性。


电压幂指数模型

Power Law Model,V-n模型


该模型认为在高电场下,氧化层中缺陷的生成速率与电场强度成幂指数关系。该模型强调电场强度和时间对失效的协同作用,符合许多实验观察到的加速失效行为。缺点是不能解释TDDB与温度的强烈依赖性(激活能较高),也不能解释激活能随电场增加而减小的现象。


指数E1/2模型

Sqrt E Model


该模型主要用于SiO₂基的低k介质的可靠性研究,缺点同样是不能解释TDDB与温度的依赖性,也不能解释激活能随电场增加而减小的现象。



以上4种模型的寿命估计的保守程度排序,E模型(适应性最广)<指数E1/2模型<幂函数模型< 1/E模型,用户可实际应用情况选择合适的模型



DE-G中的TDDB分析





















下面以E 模型为例详细介绍DE-G Reliability模块TDDB分析过程




Reliability模块





1.选择要分析的数据表:如图中1的区域,选择要分析的数据表格

2.数据设置:如图中2的区域,设置测试以及器件的相关信息。

3.数据设置:如图中3的区域,根据预测的失效机理选择合适的拟合模型并填写对应的参数。各个参数意义如下:

  •  Activation Energy (Ea/eV) :激活能

  • Target Temperature (°C)中该器件目标工作温度

  • Degradation Criteria (%)(退化标准)

  • Target Failure Probability (%)(目标失效概率)

  • Target Voltage (Vds/V)(目标电压)

4.结果分析:在完成上述相关参数设置后,点击界面中的“Run”,DE-G即可快速实现分析结果的可视化。

  • β (Area Scaling Factor)形貌因子:通过Weibull分布拟合得到;

  • γ (E Acceleration Factor)电场加速因子:通过线性拟合计算得到;

  • Predicted Lifetime(year)@7.7V:在7.7V的目标工作电压下,该器件的 预期寿命,单位为年;

  • Lifetime Spec(Year):所设置的器件寿命标准,单位为年;

  • Pass/Fail:目标工作电压下的预期寿命与Lifetime Spec(Year)的大小比较,若前者大于后者,则为Pass,否则为Fail。在此实例中经过计算,7.7V的工作电压下,该器件的预测使用寿命10.15年,满足寿命标准>10年的要求,因此判断结果为“Pass”。


  •  可视化分析:上图TDDB Weibull plot by Vstress展示了不同工作电压下 Lifetime的Weibull分布对比,Fitting Effect of E Model在不同电压环境下取不同的TTF对数做线性拟合,得到γ电场加速因子,Scaled Weibull Plot表征总体的累计失效率的分布情况。以上视图快速实现TDDB 预测可视化。


随着半导体制造技术的发展,集成电路的特征尺寸不断缩小,给产品可靠性带来很大的挑战,使用高效可靠的分析工具快速分析和定位问题根因,确保产品具有足够的可靠性至关重要。DE-G提供的可靠性分析模型能够准确可靠地进行评估,满足客户对高质量电子产品的需求。



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参考文献:张汝京. 纳米集成电路制造工艺[M]. 清华大学出版社
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DataExp-General(简称DE-General)是广立微研发的简洁、快速、灵活的通用数据分析软件。DE-General通过丰富、便捷的数据可视化手段,灵活的数据交互功能,帮助用户在更短的时间内,对数据各个维度进行考察,找出问题的根本原因。


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