目前，飛速發展的微電子技術和不斷縮小的器件尺寸，都使得由於器件可靠性而造成的影響越來越嚴重.以靜電放電(ElectroStaticDischarge，ESD)為例，在靜電放電失效的基本機理研究方面，中美兩國研究人員對過電壓場致失效和過電流熱致失效的定義、原理以及在何種器件中哪種失效更容易發生等方面都研究得非常透徹.但是，具體到某一型別的微電子器件的ESD失效模式和基本機理，美國研究得更加充分且全面，並建立了ESD[主要是人體模型(HBM)和帶電器件模型(CDM)]的失效電路模型.另外，除了傳統的互補金氧半導體(CMOS)器件，美國還系統地研究了磁性讀寫頭、各種微電子晶片等器件
目前，我國在微電子器件可靠性的研究方面加大了資金和技術投人，縮小了與美國的差距.但是對典型微電子系統的ESD失效分析和對先進的失效分析技術手段、方法的研究和運用等方面仍然是我國IW工作者今後需要努力的方向.
1影響微電子器件可靠性的主要因素
影響微電子器件[如互補金氧半導體(CMOS)、金氧半導體場效電晶體(MOSFET)、垂直雙擴散金屬-氧化物半導體場效應電晶體(VDMOS)等]長期工作可靠性最主要的失效機理包括:熱載流子效應、柵氧化層及柵氧擊穿(即電介質經時擊穿，TDDB)、金屬化及電遷移、靜電放電(ESD).下面對這四種失效機理及可靠性模型等方面進行詳細介紹.
1.1熱載流子效應
熱載流子效應是電路中重要的失效模式之一.在超大規模積體電路中，隨著柵氧化層厚度、結深和溝道長度的減小，導致漏端電場增強，從而加劇了由熱載流子引起的可靠性問題.熱載流子注人氧化層會引起器件的閾值電壓漂移、跨導下降，甚至導致器件特性退化.隨著時間的推移，器件效能的退化將會導致整個電路失效.
1.1.1熱載流子效應對器件的影響
首先是熱載流子對器件壽命的影響.由於熱載流子的注人，器件氧化層中電荷的分佈被改變，從而導致器件效能的退化.熱載流子還可加速器件老化.對電晶體進行最惡劣情況下的加速老化試驗，可推算出常規條件下器件的壽命，由此可衡量熱載流子特性的優劣.
其次，熱載流子效應的存在嚴重影響了場效電晶體MOS積體電路整合度及電路和器件的可靠性.圖1為柵氧化層厚度為40nm、30V電壓條件下，MOS電容柵電流/g隨時間f的變化關係.從圖中可知，在恆定電壓下，柵電流隨著時間的增加而減小.
1.1.2熱載流子效應引起的失效現象
(1)雪崩倍增效應
在小尺寸MOSFET中,隨著源一漏電壓的升高以及溝道長度的縮短，夾斷區的電場也增強.這時，通過夾斷區的載流子將從強電場獲得很大的漂移速度和動能，就很容易成為熱載流子，同時這些熱載流子與價電子碰撞時還可產生雪崩倍增效應.
(2)閾值電壓漂移
若夾斷區的一些熱載流子與聲子發生碰撞，得到了指向柵氧化層的動量，那麼這些熱載流子就有可能注人柵氧化層中;進人柵氧化層中的一部分熱載流子還有可能被陷於氧化層中的缺陷處，變成固定的柵氧化層電荷，從而引起閾值電壓漂移和整個電路效能的變化.
(3)MOSFET效能的退化
溝道內的一小部分有足夠高能量的熱載流子可以越過Si-Si02介面的勢壘(電子勢壘高度￡b約為3.2eV，空穴的￡b約為4.9eV),並且注人柵Si02層中形成柵極電流/g.此柵極電流盡管很小，但熱電子注人柵Si02層中將會引起介面陷阱積蓄電荷，並且，電荷的積累經過一段時間之後會使器件效能退化，導致閾值電壓漂移、跨導降低和亞閾值斜率增大，甚至柵氧化層擊穿.
(4)寄生電晶體效應
當有較大的襯底電流/sub流過襯底(襯底電阻為Ksub)時將產生電壓降(/sub?/?_)，使得源一襯底的N+_P結正偏,從而形成一個“源一襯底一漏”的寄生N+-P-N+電晶體.該寄生電晶體與原來的MOSFET並聯構成了一個複合結構的器件.這種複合結構導致了短溝道MOSFET發生源一漏擊穿，還會導致CMOS電路中的閂鎖效應，使伏安特性曲線出現回滯現象.
1.2金屬化及電遷移
電遷移是指在很大電流的作用下，金屬原子發生擴散遷移的一種物理現象.電遷移中原子擴散方向與電子流動方向相同.電遷移將使得原子源源不斷地由陰極向陽極擴散，並逐漸導致在陰極形成空洞，在陽極則發生原子的堆積.這種過程將隨導電截面積的減小而加速進行，最終導致器件的失效.
電遷移現象是在直流電流作用下金屬中的離子產生位移所致.首先表現為電阻值的線性增加，到一定程度後就會引起金屬膜區域性虧損而出現空洞，或引起金屬膜區域性堆積而出現小丘或晶須，造成金屬互連線短路失效，嚴重影響積體電路的壽命.在器件向亞微米、深亞微米發展中，金屬互連線的寬度不斷減小，電流密度不斷增加，更易於因電遷移而失效.
1.3靜電放電(ESD)
在傳統的微電子器件中靜電放電的能量由於影響較小，人們很難察覺.但是在高密度微電子器件中則可能因為靜電電場和靜電放電電流引起失效，或造成“軟擊穿”現象，導致裝置鎖死、復位、資料丟失和不可靠.這都對裝置的正常工作產生較大影響，使裝置的可靠性降低，甚至造成裝置的損壞.據統計，在積體電路工業中由ESD引起的損失高達25%，因此，由ESD導致的損失是一個很嚴重的問題.
1.3.1ESD模型的分類
根據靜電產生的原因和對電路放電方式不同，在積體電路中常用的ESD模型有四種:人體模型(Human-BodyModel,HBM);機器模型(MachineModel，MM);器件充電模型(Charged-DeviceModel,CDM);電場感應模型(Field-InducedModel,FIM).圖2為2kVHBM、200VMM與1kVCDM的放電電流/比較.其中，雖然HBM的電壓比MM的電壓高，但是200VMM的放電電流卻比2kVHBM的放電電流大得多，因此機器放電模型對積體電路1C的破壞力更大.在不到1ns的時間內，1kVCDM的放電電流最高可達到15A.所以CDM的靜電吏易造成積體電路的損傷.
1.3.2ESD失效種類
(1)直接損傷
直接損傷是由電流產生的功耗引起的.它會熔化器件的一部分並造成故障.當電子器件暴露於ESD應力，該裝置可能無法正常工作應力所造成的高電流使器件溫度升高，可能會造成金屬熔化，PN接面或氧化層擊穿.1C內部電晶體會因為ESD電流產生的散熱造成永久性物理傷害.這些損傷產生的原理如圖3所示.焦耳熱產生的溫度上升可導致熔化的金屬膜電晶體的PN接面尖峰長絲，PN接面擊穿.金屬膜的熔化會導致開路.而PN接面的擊穿可以通過退化的`電流-電壓特性曲線觀察到，這時的曲線上會有一個異常的結漏電流.在最嚴重的情況下，ESD引起的功耗可以同時產生結細絲、結尖刺和金屬熔化.另一方面，ESD引起的電壓也可以在絕緣層上產生電場，絕緣層的擊穿電場強度越大，越會發生絕緣層的擊穿.2)潛在損傷強電場也會引起電荷注人-Si02介面處的強電場會加速表面處的載流子運動.當載流子獲得足夠的能量時就能越過Si-Si02介面勢壘，並注人氧化層[如圖4(a)].此時，失效分析手段無法在氧化層中發現物理損傷，但氧化層的電荷狀態變化可能會導致器件電晶體的電流-電壓特性改變.電荷注人會使電路退化，但與破壞性失效不同的是，它並不會使器件完全失效，所以稱為ESD引起的潛在損傷，圖4(b)是它的極限形式氧化層擊穿)?潛在的損害難以確定，因為即使產生了一定退化，裝置仍然可以工作?然而，如果一個晶片中含有潛在損傷的電晶體，那麼整個晶片就有可能出現過早失效或晶片既障?一些《+特性測試(如漏電流測量等)可以確定破壞性的損傷，但是潛在損傷卻很難檢測出來.1.4柵氧化層及柵氧擊穿
隨著MOS積體電路微細化的發展，柵氧化層向薄膜方向發展.而電源電壓卻不宜降低，在較高的電場強度下，使柵氧化層的效能成為一個突出的問題.柵氧化層抗電效能不好將引起MOS器件電引數不穩定，如閾電壓漂移、跨導下降、漏電流增加等，甚至引起柵氧化層的擊穿.柵氧化層擊穿作為MOS電路的主要失效模式已成為目前國際上關注的熱點.柵氧化層擊穿主要分為四種：本徵擊穿(瞬時擊穿);非本徵擊穿;經時擊穿TDDB;軟擊穿.
有關氧化層TDDB問題的研究很多，其中最受重視的是氧化層的TDDB壽命.在20世紀7()年代後期，根據實驗資料，有研究人員提出了關於柵氧化層TDDB壽命拓展的經驗式，即嚇為中期壽命;AW為柵氧化層TDDB啟用焓;T為溫度;/cB為玻爾茲曼常數;7為電場加速因子為氧化層電場強度?
針對上述經驗式，提出了兩種經典模型：
(1)E模型：由熱化學擊穿模型得到.該模型認為氧化層的退化與擊穿是電場作用的結果，由缺陷的產生和積累決定。
(2)1/E模型：由空穴擊穿模型得到?該模型在電子隧穿注人的基礎上，認為氧化層擊穿是由空間電荷積累造成的，並認為擊穿所需的總俘獲為E模型、1/E模型與TDDB實驗資料的對比.由圖中可以看出，在低場強中，E模型與實驗資料的吻合較好，而採用VE模型估計的中期壽命7T7值偏大;在高場強中，1/E模型與實驗資料的吻合較好，而E模型估計的TF值偏小.從實際應用看，在工業中，由於E模型比1/E模型計算的壽命要短，所以工業上一般採取E模型.2提高微電子器件可靠性的主要措施
2.1抑制熱載流子效應的措施
在設計超大規模積體電路時，可採用減小溝通道長度、減薄氧化層厚度以及相應增加摻雜濃度等方法達到高速度和高整合度的設計要求.但是，這些綜合結果卻易導致熱載流子的產生.針對上述情況，可通過以下方法抑制熱載流子效應：
(1)減小漏結附近的電場，可使熱載流子發射的可能性降低.
(2)改善柵氧化層的質量，採用完美的幹法氧化工藝，降低熱載流子陷阱密度和俘獲截面，能夠減小由於熱載流子注人柵氧化層而對器件效能的影響.
(3)可在電路和版畫設計上採取如採用鉗位器件或適當增大寬長比等措施.
(4)採用一些新結構，如低摻雜漏(LightlyDopedDrain，LDD)結構等，可提高擊穿電壓，減少碰撞電離.