雷鳳霞（潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長(zhǎng)治046204）

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半導(dǎo)體集成電路可靠性測(cè)試及數(shù)據(jù)處理方法

雷鳳霞
（潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西長(zhǎng)治046204）

摘要：可靠性是分析產(chǎn)品使用年限的一門(mén)全新學(xué)科，可以明確地反映出產(chǎn)品質(zhì)量。隨著全新的材料以及工藝的運(yùn)用，半導(dǎo)體集成電路的線(xiàn)寬開(kāi)始降低，集成度也不斷提升，其對(duì)于集成電路可靠性也提出了更加嚴(yán)格的要求。近些年來(lái)，我國(guó)的集成電路制造產(chǎn)業(yè)開(kāi)始得到快速的發(fā)展，這也為國(guó)內(nèi)集成電路可靠性的研究創(chuàng)造了較好的條件。文章主要分析了半導(dǎo)體集成電路的晶圓級(jí)可靠性測(cè)試以及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理手段。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體集成電路；可靠性測(cè)試；數(shù)據(jù)處理方法

隨著半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)的快速進(jìn)步和發(fā)展，以硅基單片數(shù)字為標(biāo)志的超大規(guī)模集成電路體積不斷縮減，電路結(jié)構(gòu)以及制造工藝愈加繁雜。其可靠性受到工藝誤差以及相關(guān)因素的影響也開(kāi)始加重。因此為了確保集成電路工藝可靠性，并有效減少產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)成本以及相關(guān)費(fèi)用，愈來(lái)愈多的半導(dǎo)體集成電路廠(chǎng)商開(kāi)始進(jìn)行晶圓級(jí)的可靠性測(cè)試。

可靠性工程必須運(yùn)用當(dāng)前的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行系統(tǒng)考量，運(yùn)用專(zhuān)門(mén)性的技術(shù)手段，降低產(chǎn)品故障率，最終確保系統(tǒng)運(yùn)行良好。在集成電路的晶圓級(jí)可靠性測(cè)試中，使用非常普遍的測(cè)試類(lèi)別主要是熱載流注入測(cè)試、電遷移測(cè)試等等其他一些相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目。

一、熱載流子注入測(cè)試以及數(shù)據(jù)處理方法

熱載流子注入測(cè)試是半導(dǎo)體集成電路晶圓級(jí)可靠性測(cè)試中十分重要的一項(xiàng)目。其實(shí)際能量和費(fèi)米能級(jí)相比較，大約超出幾個(gè)kT以上的熱載流子。在集成電路器件中，載流子在遺漏的源電壓條件下到達(dá)漏電極限，這其中的原因就是漏端周?chē)嬖谳^高的電場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域，一旦載流子進(jìn)入這個(gè)區(qū)域，便能夠讓這些高革的作用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（17）：234.

[4]余育仁，劉悅?cè)?圖書(shū)館網(wǎng)上知識(shí)競(jìng)賽系統(tǒng)——高校圖書(shū)館資源利用新方式[J].上海高校圖書(shū)情報(bào)工作研究，2011（01）：38－40.

[5]郭詩(shī)維，雒曉卓.網(wǎng)絡(luò)競(jìng)賽系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)與功能模塊實(shí)現(xiàn)[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2011（10）：84－85.

[6]潘振杰. ASP圖書(shū)館知識(shí)競(jìng)賽系統(tǒng)的構(gòu)建與思考[J].電子世界，2012（04）：54－56.

[7]陸永來(lái).現(xiàn)場(chǎng)知識(shí)競(jìng)賽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)信息技術(shù)教育，2011，（19）：65－66.

[8]朱森勇，周平.基于TCP/IP的通用型在線(xiàn)答題競(jìng)賽系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2005，（06）：70－71＋74.

[9]歸群峰.基于創(chuàng)新推廣的學(xué)科競(jìng)賽網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究[D].浙江師范大學(xué)，2011.

[10]王嘯.電子設(shè)計(jì)預(yù)賽系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].北京郵電大學(xué)，2012.

[11]公慧玲，李致勛，邱睿韞.基于ADO的競(jìng)賽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012，（08）：137.能的能量子轉(zhuǎn)變成為熱載流子，而這種條件下的熱載流子在電子的相互碰撞下成為新的電子空穴對(duì)，進(jìn)行更深程度的電離。隨著熱載流子數(shù)量增多，能量也不斷增加。熱載流子測(cè)試一般都是對(duì)集成電路進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的電應(yīng)力，同時(shí)在中間讀點(diǎn)測(cè)量不同電性參數(shù)的數(shù)值。

編輯鄭晶

圖1　DS18B20初始化及讀寫(xiě)控制時(shí)序

JEDEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的JESD28以及JESD60依次規(guī)定集成電路器件熱載流子的測(cè)試過(guò)程以及整個(gè)的數(shù)據(jù)處理手段。以NMOS器件為范例如圖1，圖2所示。一般電性參數(shù)會(huì)按照時(shí)間的變化量同時(shí)演變?yōu)閮绾瘮?shù)關(guān)系，也就是：Y（f）＝Ctn，其中Y（t）為電性參數(shù)隨時(shí)間的相對(duì)變化量：Y（t）=P（t）-P（0），其中P（0）是電性P（0）參數(shù)的原始數(shù)據(jù)，P（t）是電性的參數(shù)值在t時(shí)刻的素質(zhì)。另外電性參數(shù)記錄時(shí)間間隔常常選取數(shù)字表示，例如10s，30s，還有60s。

圖2　HCI生存周期結(jié)果圖

根據(jù)熱載流子測(cè)試得出的數(shù)據(jù)處理結(jié)果和方法，在JESD28-1中重點(diǎn)介紹了NMOS器件所產(chǎn)生的熱載流子測(cè)試數(shù)據(jù)的研究手段：1n Y（f）＝1nC+n1nt，根據(jù)數(shù)學(xué)公式中的最小二乘法對(duì)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合之后，C與n這兩個(gè)參數(shù)的數(shù)值就可以很好地算出來(lái)。一般的熱載流子實(shí)驗(yàn)結(jié)果中數(shù)據(jù)的后期整理經(jīng)常是根據(jù)原設(shè)定的參數(shù)C以及n的數(shù)值進(jìn)行進(jìn)一步的電性參數(shù)相對(duì)變化量Ytar的計(jì)算，讓其達(dá)到某些預(yù)先設(shè)定的數(shù)值Ytar以及它所需的時(shí)間ttar。

試驗(yàn)中，不同的樣品的ttarr往往會(huì)不斷地用來(lái)預(yù)先判斷熱載流子測(cè)試的使用周期和最大壽命。在大多數(shù)情況下使用普遍的熱載流子測(cè)試的壽命模型如下："首先是襯底-漏電流比例模型：這當(dāng)中的H，m可以看作是擬合線(xiàn)性參數(shù)，Isub是襯底電流，Id是漏電流的含義，W則是MOS的柵寬度。漏源性的電壓加速物理模型詳細(xì)的公式是中的t0、B可以作為模擬擬合的參數(shù)，Vds是漏源電壓的含義。漏源電壓的加速物理模型是利用不同條件下所要測(cè)量樣品的ttar和Vds數(shù)值獲取的擬合性參數(shù)to和B，在次基礎(chǔ)上得到了正常合適物理?xiàng)l件和因素影響下熱載流子的壽命。襯底一漏電流比例物理模型則是利用品的ttar和Isub等得到了擬合參數(shù)H、m，從而也得到了合適環(huán)境和條件下熱載流子測(cè)試的壽命；最后的物理模型是襯底電流模型，具體的公式如圖，其中C、b為擬合參數(shù)，Isub為襯底電流，w則為MOS中的柵寬度。襯底電流物理模型是在不同測(cè)試環(huán)境和條件下不同樣品的tta，ISub數(shù)值得到的擬合參數(shù)C和b，最后得到了在正常環(huán)境條件下熱載流子測(cè)試的壽命[1]。

二、柵氧化層測(cè)試以及數(shù)據(jù)處理方法

柵氧化層對(duì)于集成電路的制造而言可謂是很關(guān)鍵。柵氧化層的厚度會(huì)隨著集成電路規(guī)模而擴(kuò)大，以及器件體積的減小而不斷減小。由于柵氧化層的作用很重要，所以柵氧化層可靠性問(wèn)題也是極為矚目的，其中較為引人注意也是較為常見(jiàn)的問(wèn)題是柵氧化層的缺陷密度以及介質(zhì)穿擊問(wèn)題。柵氧化層的可靠性測(cè)試主要是在同一時(shí)間內(nèi)有聯(lián)系介質(zhì)的穿擊測(cè)試和斜坡電壓測(cè)試。其中，斜坡電壓測(cè)試是指在柵極的上面加線(xiàn)性斜坡電壓，一直到該電壓將氧化層擊穿為止。斜坡電流測(cè)試和斜坡電壓的測(cè)試略有區(qū)別，是把一定指數(shù)的斜坡電流加在柵極之上，直到能夠擊穿氧化層為止。斜坡電業(yè)測(cè)試和斜坡電流測(cè)試均是為了測(cè)量出柵氧化層缺陷密度的。例如，在斜坡電壓測(cè)試當(dāng)中，一般情況下，是將斜坡電壓測(cè)試規(guī)定在一定的電壓標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，如果出現(xiàn)測(cè)試樣本被擊穿時(shí)的電壓小于事先設(shè)定的電壓標(biāo)準(zhǔn)的情況，就能夠認(rèn)定這是由于氧化層中有一定的缺陷導(dǎo)致的，并能夠進(jìn)一步認(rèn)定該柵氧化層是沒(méi)有效果的。如果依照J(rèn)ESD35中的標(biāo)準(zhǔn)而言，缺陷密度用基于Poisson分布的成品率公式來(lái)得到：Y=e-DoA，其中，Y表示成品率，這也可以認(rèn)為是（有效樣品數(shù))/(總測(cè)試樣品數(shù))而A則代表受測(cè)樣品的面積，Do代表所需計(jì)算出來(lái)的缺陷密度。在利用斜坡電流和斜坡電壓對(duì)成品經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試后，應(yīng)當(dāng)算出Y的數(shù)值（成品率），并進(jìn)一步利用A的數(shù)值（測(cè)試樣品面積）得出Do(缺陷密度值）。一旦Do的數(shù)值越過(guò)了設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，這種情況下的測(cè)試就是失敗的。

另外，則是介質(zhì)擊穿的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是指時(shí)間相關(guān)介質(zhì)擊穿。介質(zhì)擊穿測(cè)試如下：首先在柵極加以小于柵氧化層的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)，這并不能造成本征擊穿，可由于施加電應(yīng)力的過(guò)程當(dāng)中氧化層出現(xiàn)了一定的缺陷，這種情況下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后就會(huì)出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象了。相同時(shí)間下相關(guān)柵氧介質(zhì)的擊穿被看作是限制集成電路可靠性評(píng)定的重要因素，一般情況下?lián)舸┈F(xiàn)象是氧化硅當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)超過(guò)限制，電流過(guò)高，才造成的電荷累積反應(yīng)。現(xiàn)階段，把整個(gè)氧化層被擊穿的過(guò)程分為兩個(gè)主要階段，他們分別是構(gòu)建磨損階段和擊穿階段。其中，構(gòu)建磨損階段當(dāng)中，二氧化硅的界面存在于電應(yīng)力的運(yùn)作之下，其中的缺陷就會(huì)不斷累積。當(dāng)累積數(shù)值達(dá)到一定量時(shí)，某些部分的缺陷數(shù)就會(huì)到達(dá)一定的臨界值，并由量變產(chǎn)生質(zhì)變，一舉進(jìn)入擊穿階段。當(dāng)進(jìn)入擊穿階段之后，電、熱的雙重作用之下，就會(huì)迅速的將氧化層擊穿。因此，構(gòu)建磨損階段持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短決定了柵氧介質(zhì)擊破測(cè)試的年限。

三、電遷移測(cè)試以及處理方法

金屬相互連線(xiàn)的電遷移情況通常都是按照集成規(guī)模的擴(kuò)展速度不斷變化，其集成器件的體積不斷縮減，戶(hù)連線(xiàn)電流密度不斷提高，在電遷移的測(cè)試逐步開(kāi)始占據(jù)了非常關(guān)鍵的地位。在物理現(xiàn)象中集成電路中的電遷移現(xiàn)象詳細(xì)的表達(dá)方式就是，集成電路的不同器件在實(shí)際生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，金屬之間的互連線(xiàn)中有的電流通過(guò)，其中金屬陽(yáng)離子會(huì)根據(jù)導(dǎo)體的質(zhì)量的進(jìn)行電子的傳輸，這可以使得導(dǎo)體的某些空間出現(xiàn)空洞現(xiàn)象和小丘等不同的物理現(xiàn)象。集成電路中的的電遷移現(xiàn)象在實(shí)際中大多數(shù)都是在“強(qiáng)電子風(fēng)”的影響和作用下進(jìn)行的，當(dāng)電子從負(fù)極流向電源的正極的時(shí)候，會(huì)受到一定的能量碰撞，其中的金屬陽(yáng)離子可以先正極不斷的移動(dòng)，而負(fù)極則產(chǎn)生一些空的穴位，在這個(gè)過(guò)程中不斷地進(jìn)行增加和積累，可以讓金屬形成短路，同時(shí)由于正極的金屬離子的累積作用而使得出現(xiàn)晶須現(xiàn)象，而且有非常大的概率使得周邊的金屬線(xiàn)發(fā)生短路的現(xiàn)象[3]。

往往在電遷移的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試中我們常常讓樣品在不同的壓力和溫度條件下進(jìn)行恒定的加速的物理測(cè)試實(shí)驗(yàn)。這往往是加速過(guò)程中應(yīng)力測(cè)試不應(yīng)當(dāng)更改器件的失效的機(jī)理，正常水平下不同應(yīng)力條件下Lognormal的分布以及對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差是往往是相等的。有了不同的應(yīng)力條件下不同的樣品的使用年限數(shù)據(jù)，再根據(jù)Lognormal分布的估算方法和標(biāo)準(zhǔn)就可以得到同應(yīng)力下的中位壽命，進(jìn)而利用加速運(yùn)動(dòng)的物理模型就可以得到在正常情況下電遷移壽命分布的實(shí)際情況，然后得到不同的累積失效率情況下使用壽命的初步判斷[4]。

總而言之，本文主要分析了半導(dǎo)體集成電路的晶圓級(jí)可靠性測(cè)試以及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理手段，以期能夠更加促進(jìn)半導(dǎo)體集成電路的技術(shù)突破。從我國(guó)目前半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展來(lái)看，要加強(qiáng)其相關(guān)測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)研討，構(gòu)建滿(mǎn)足我國(guó)實(shí)際的可靠性保證流程，同時(shí)還應(yīng)該構(gòu)建和頒布相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，這對(duì)于提高我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展而言具有決定性的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]許斌.采用TEG技術(shù)的半導(dǎo)體集成電路可靠性評(píng)價(jià)方法[J].微電子學(xué)，2012，06（20）：856.

[2]秦國(guó)林，許斌，羅俊.集成電路圓片級(jí)可靠性測(cè)試[J].微電子學(xué)，2013，01（20）：144-145.

[3]陳光浩.基于嵌入式Linux的集成電路老化測(cè)試設(shè)備軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州電子科技大學(xué)，2013（12）：13-22.

[4]許丹.基于圖像處理上幾乎的多約束通孔插入方法研究[D].西安電子科技大學(xué)，2013（12）：14-20.

編輯朱榮華

作者簡(jiǎn)介：雷鳳霞（1982-），女，山西汾陽(yáng)市人，碩士，潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院助理講師，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)。

收稿日期：2015-02-09

文章編號(hào)：2095-8528（2015）04-100-03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TN3