王士江

（圣邦微電子（北京）股份有限公司，北京 150000）

在發(fā)展制造半導(dǎo)體集成電路的技術(shù)中，逐漸減小了集成電路的體積，而半導(dǎo)體集成電路的制造工藝和電路結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜化。半導(dǎo)體集成電路的可靠性因為工藝誤差和有關(guān)因素影響而加重。所以，為了提高半導(dǎo)體集成電路的工藝可靠性，減小評價產(chǎn)品可靠性的成本，要加大對半導(dǎo)體集成電路可靠性的測試。

1 半導(dǎo)體集成電路的可靠性測試

1.1 半導(dǎo)體的可靠性

在半導(dǎo)體的器件中，集成電路是一個重要類別，朝著高精度、低功耗、高速度和高集成度發(fā)展，同時，其尺寸也不斷變小，而器件的二維效應(yīng)則明顯提高。集成電路內(nèi)部的電場密度、電流都所有增加，與此同時，電路出現(xiàn)性能缺陷的概率也在提升。在大力發(fā)展、廣泛應(yīng)用集成電路階段，半導(dǎo)體式的集成電路也逐漸應(yīng)用到惡劣環(huán)境內(nèi)，在大功率、強輻射、高頻、高壓和高溫的條件中，半導(dǎo)體式集成電路的可靠性出現(xiàn)了不穩(wěn)定。當前，在研究半導(dǎo)體式集成電路的行業(yè)中，我國主要利用被動篩選方式檢測產(chǎn)品的可靠性。然而，這種方法的成本高、周期長，也無法根本性地提高半導(dǎo)體集成電路可靠性。因此，要深入探討和分析半導(dǎo)體集成電路的應(yīng)用條件，探討不同環(huán)境中集成電路器件失效、性能退化而出現(xiàn)的物理反應(yīng)和誘發(fā)應(yīng)力，以出現(xiàn)的誘發(fā)應(yīng)力與物理反應(yīng)參數(shù)對集成電路產(chǎn)品的可靠性進行設(shè)計。在對半導(dǎo)體集成電路進行研究的過程中，要綜合考慮優(yōu)化和加固封裝、線路和版圖，保證器件壽命期限內(nèi)電參數(shù)持續(xù)保持正常。

1.2 半導(dǎo)體集成電路的工藝可靠性

要想大幅度提升集成電路產(chǎn)品的可靠性，加強對制造工藝可靠性的研究是主要途徑，也是關(guān)鍵性環(huán)節(jié)。在研究集成電路產(chǎn)品的可靠性中，要分析制造技術(shù)會如何影響到半導(dǎo)體式集成電路使用的可靠性，對保證可靠性的工藝流程進行著重控制與監(jiān)測，構(gòu)建評價集成電路產(chǎn)品制作工藝可靠性的規(guī)范化程序和有效方法，這些程序與有效方法能夠促進對半導(dǎo)體式集成電路可靠性的研究。要想保障實物產(chǎn)品的可靠性，則必須確保其工藝具有較高的可靠性。

在評價和控制工藝可靠性的研究中，基本出發(fā)點是保證工藝的可靠性，從而保障產(chǎn)品的可靠性。在研究工藝中，要依據(jù)不同的失效原理設(shè)計測試微電子可靠性的結(jié)構(gòu)，并組織實施加速試驗，得到失效機理下產(chǎn)品的有關(guān)參數(shù)和信息，在測試微電子的結(jié)構(gòu)中構(gòu)建可靠性測試與設(shè)備可靠性之間的聯(lián)系，保證工藝具有較高的可靠性。在工藝可靠性探索中，可以有效控制載體中生產(chǎn)集成電路的流程，借助我國生產(chǎn)集成電路已有生產(chǎn)線，以此為基礎(chǔ)研究恰當?shù)脑u價方法和控制集成電路可靠性的方法，以圓片級和封裝級的LR為基礎(chǔ)，建立評價工藝可靠性的平臺。

1.3 評價半導(dǎo)體元件保持可靠性的時間

在各種類型的電子設(shè)備中，半導(dǎo)體都是基礎(chǔ)元器件是一個重要的組成部分，半導(dǎo)體式元器件的可靠性能對設(shè)備整體性能與可靠性產(chǎn)生了直接影響。在制造半導(dǎo)體行業(yè)中，研究半導(dǎo)體的可靠性有重要價值。半導(dǎo)體式器件的設(shè)計和生產(chǎn)直接關(guān)系到產(chǎn)品的可靠性。測試半導(dǎo)體式元器件可靠性的措施一般是采用可靠性評價，借助統(tǒng)計工具、用來仿真的模擬對半導(dǎo)體元件質(zhì)量、使用壽命的周期、失效率等進行評定。代表半導(dǎo)體元件可靠性的指標中，使用壽命是關(guān)鍵。評估半導(dǎo)體在壽命方面的可靠性，其具體方法為：選擇對集成產(chǎn)品進行模擬的高可靠性產(chǎn)品，比如典型性軍用產(chǎn)品，通過對產(chǎn)品參數(shù)進行分析，研究能延長產(chǎn)品壽命的技術(shù)，將適合應(yīng)用到軍用產(chǎn)品中的集成電路作為參考，著重研究可以評估集成電路壽命可靠性的預(yù)測方法，比如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時間序列、回歸分析、灰色理論等。同時，要充分利用用戶反饋的產(chǎn)品有關(guān)數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)，在研究半導(dǎo)體器件可靠性的綜合評價中，要討論貝葉斯法，并采取蒙特卡洛仿真法研究能夠?qū)Π雽?dǎo)體元器件的可靠性進行預(yù)測的方法，盡量滿足軍用、航天等對可靠性要求較高的單位對半導(dǎo)體式集成電路在壽命可靠性方面的需求。

2 注入熱載流的測試技術(shù)和處理數(shù)據(jù)方法

2.1 注入熱載流子的測試

在評估半導(dǎo)體式集成電路的可靠性中，在晶圓級別注入熱載流子的測試是一項重要內(nèi)容，對熱載流子的測試主要利用的是實際能量和變焦費米能級。半導(dǎo)體式集成電路的器件中，源電壓遺漏之所以會出現(xiàn)載流子的漏電極限，主要因為在漏端周圍有高電場強度出現(xiàn)，一旦載流子進入強電場范圍中，高能的能量子就變成熱載流子，且電子在碰撞中熱載流子會發(fā)生新電子的空穴對，深化電離反應(yīng)。在熱載流子的數(shù)量增加時，能量也增多。在電離反應(yīng)中，熱載流子開展測試要經(jīng)過長時間的電應(yīng)力，測量不同電性參數(shù)的具體數(shù)值。

2.2 處理數(shù)據(jù)的方法

半導(dǎo)體式集成電路的元器件中，對測試熱載流子的過程、處理熱載流子數(shù)據(jù)的手段有標準化的規(guī)定。通常情況下，變化量的電性參數(shù)會隨著時間變化，并逐漸演變?yōu)閮绾瘮?shù)關(guān)系，其表達式為Y（f）=Ctn.Y（t）可以表示隨時間變化，電性參數(shù)出現(xiàn)相應(yīng)變化，其計算公式為：

式（1）中：P（0）為參數(shù)原始數(shù)據(jù)；P（t）為t時刻電性參數(shù)發(fā)生的演變量。

此外，選擇數(shù)字來表示記錄電性參數(shù)的時間間隔，比如10 s、20 s。

在測試熱載流子中，半導(dǎo)體式集成電路的器件通過處理數(shù)據(jù)，獲取熱載流子的測試數(shù)據(jù)，公式為lnY（f）=nlnt+lnC，針對所得計算出參數(shù)n和c的具體數(shù)值。通常情況下，在做完熱載流子的試驗后，在對有關(guān)試驗數(shù)據(jù)進行整理的過程中，要依據(jù)預(yù)定參數(shù)的數(shù)值深入計算電性參數(shù)發(fā)生的變化量，一直到與預(yù)定的數(shù)值、時間相符。在熱載流子試驗中，不同的樣品所需要的試驗時間也有所不同，通過這些不同的時間能預(yù)先判斷測試熱載流子的使用周期和壽命。熱載流子試驗中，一般采取的壽命模型公式為：

式（2）中：H為擬合的線性參數(shù)；IWB為襯底電流；Id為漏電流；W為柵寬度。

3 測試柵氧化層的技術(shù)和處理數(shù)據(jù)的方法

在半導(dǎo)體式集成電路的制造過程中，柵氧化層的作用比較大，在集成電路規(guī)模的擴大中，也在提升集成電路的厚度，器件體積減小時，其厚度也在縮小。因柵氧化的作用比較重要，也比較重視其可靠性。柵氧化層出現(xiàn)的可靠性問題通常是柵氧化層出現(xiàn)缺陷密度、介質(zhì)穿擊等。在測試柵養(yǎng)護層方面主要采取的措施為：在相同時間結(jié)點中將聯(lián)系介質(zhì)作為對象，實施穿擊測試、斜坡電壓的測試。

3.1 斜坡電壓的測試

斜坡電壓的測試主要是在柵極上添加線性的斜坡電壓，直到電壓將氧化層擊穿。與斜坡電壓的測試不同，斜坡電流的測試主要是將一定指數(shù)的斜坡電流添加到柵極上面，一直到擊穿養(yǎng)護層。斜坡電壓測試和斜坡電流測試都是測量柵氧化層在缺陷時，其密度情況。通常斜坡電壓測試要在電壓的一定范圍中開展。如果氧化層被電壓擊穿，則電壓小于設(shè)定電壓，證明氧化層出現(xiàn)了缺陷，同時能確定柵養(yǎng)護層處于無效狀態(tài)。以Poisson分布為前提的成品率公式能利用公式將相應(yīng)缺陷密度計算出來，其中，Y為成品率，即有效樣品在總測試樣品中所占的比例；A為受測樣品的面積；Do為缺陷密度。在利用電壓和斜坡電流大量測試過成本后，利用計算公式得到成品率，同時借測試樣本的面積計算缺陷密度。如果缺陷密度不符合設(shè)置標準，就代表測試失敗。

3.2 介質(zhì)擊穿實驗

介質(zhì)擊穿就是時間有關(guān)的介質(zhì)擊穿，其測試流程主要為：在柵極上加本征擊穿的場強，保證該場強比柵氧化層小，則不會出現(xiàn)本征擊穿。但因電應(yīng)力施加中氧化層會出現(xiàn)缺陷，一段時間后會有擊穿現(xiàn)象出現(xiàn)。在對集成電路的可靠性進行評定時，主要限制因素是同樣時間下柵氧介質(zhì)發(fā)生的擊穿。通常電流過高會造成電荷發(fā)生累積反應(yīng)，氧化硅的電場超出限制，導(dǎo)致?lián)舸┈F(xiàn)象出現(xiàn)。

4 結(jié)束語

在實際應(yīng)用半導(dǎo)體集成電路時，一個關(guān)鍵問題就是可靠性，其關(guān)系到器件能不能正常發(fā)揮作用和其工作的可靠性。因此，要深入研究測試半導(dǎo)體集成電路可靠性的方法和處理數(shù)據(jù)的方法，保證半導(dǎo)體集成電路使用的可靠性。

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