半导体三维集成内存的可靠性

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        利用自旋传递的电子结构,这种结构是唯一能利用了无源网络实现二型锁相环的结构,直流增益为无穷大,稳态相位误差为0,而且具有无穷大的创新力?

三维IC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. 悬磁系统: 相互扩散, 应力三维结构自旋电子的可靠性, 是一种非挥发性的磁性随机存储器(MRAM)

半导体I Cs的可靠性

为什么这是个问题?

有效的成品率是以下的乘积 : Y1 x Y2 x Y3… ( e. g., a 10-步工艺,每次成品率为95% =>60%的成品率)

““经验曲线”” : 成品率vs.批号和raverager overlasts.

缺陷密, 维度减少, 随后又增大动态随机存储器

消除缺陷

缺陷密度

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):

A = 基片面积

生产

D = 缺陷数/面积

AD =重叠基片缺陷的几率

A D

粒子控制: 类(Max #/ft3) > 0.5 mm 1 1

10 10

100 100

1000 1000

可靠性的定义

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)= 1 - F(t)

失效概率的函数, f(t):

f ( t ) = d F / d t

(这个对于预测失效率很重要)

失效前平均时间, MTTF: M T T F = út ~ f ( t ) d t

中位寿命, t50: 50%器件失效后的时间.

可靠性的定义

失效概率密度/残存数:

λ( t ) = f ( t ) / R ( t )

在时间δt 内的失效率,λ(t):

恒稳态的 失 效率 :

因此 部分失效频率)

稳态幸存 的或者 可靠性 随时间指数下降

恒稳态 :                                                           

不 同 的 失 效 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

σ== 标准偏差

t 50 == 50%器件失效的时间

s =ln(t50/t16) and MTTF = exp{ln(t50 + s 2 /2)

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：

对数正态分布能代表3种方式中的任何一种,通过改变σ

对数正态分布

s =ln(t50/t16 )

如果数据的对数正态图是线性的,则可以发找到σ.

失效 前平均 时间

失效前平均时间( M TTF)

(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 .

log(J) Or, ln(MTTF-1),平均失效率, 能够画出关于 1/T的曲线图(Arrhenius图)…

减 轻 热 激 化 的 失 效

热激 化 失效 速 率 :

小心加速老化

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

…有可能得到错误的激活能.

例 子 :电迁移:电子风移走 原子 vs m o v e s s atoms

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 *

( Z *q . X n q v ) r

离子 – 载流 子相互作用

Q 为电量, Z A

为 有 效 离 子 的 价 , E 为电场强度(单位电荷所受的力) ,所产生的电流密度为: J

电迁移现象:晶粒边界扩散高,保证了集成电路生产的需要。

大多数的电迁移沿着晶粒边界发生种子变量(必须是寄存器、整数或时间寄存器类型)控制函数的返回值,即不同的种子将产生不同的随机数。）

DA = DA oexp[ -Ea/(kBT)]

DA是晶粒边界扩散系数. (DA有代表性的为0.5 - 0.8 eV vs. 体物质大约为1.4 eV)

JA,与乘积成比例 *

(A的体积浓度) x (由于F= qZA Jr而产生的速度 ):

对于温度T,在力F: v = DAF/RT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 0是质量A的逆函数)

电迁移损伤: 由于流量发散或者温度 梯度

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, i.e.浓度梯度可 变:加与温度相关的项,如下式:

= - =D A

~x ~x 2

由于流量分散等温质量转移 如晶粒边界结.

温度梯度

(Thompson-Frost modal)

晶粒生长

晶粒生 长 也 由 对 数 正 态分布函 数 来 表 示 :

d50 = 中位晶粒 直径

基于自旋的电子器件:

本 底 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

基于 三维结构自旋 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

可动 载 流子

散 射

自旋 依赖于电 阻 率

<ρ <M 沿着 x方向 , 随 着 时间 而 衰 减

基于旋转( 磁性)的电子器件,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

绝缘体 高阻抗 旋转隧道结;

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                           

磁阻随机存取存储器(MRAM)

( 基 于旋 转 电子 管 或 - 旋 转 隧 道 结 )

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

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

全局 连线 (W )

绝缘层 (S i O 2)

自 旋器件 :处 理,可靠性问题

非常大的电流密度

(J > 1072) A/ cm => 很高的工作温度 (T> 1000),C),

电热失效 MTTF ? J -ne+Ea / kB

旋 转 电子 管 的 磁性 层 < 8 nm厚 度 旋 转 隧道 结的氧化 层 < 3 nm厚度

轨道宽度减少到100 nm

不 同 金 属 物 质 的 化 学 反 应

wangchenglong

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