嵌入式EPROM數據保持能力評估方法優化

徐海濤，王智勇

（1.無錫華潤上華科技有限公司，江蘇 無錫 214028；2. 蘇州大學電子信息學院微電子系，江蘇 蘇州 215021）

1 引言

在半導體存儲器的產品評估過程中，可靠性評估占有重要的地位。在FAB中開發生產EPROM的晶圓時，當前期的工藝、設備穩定后，EPROM的功能性測試成品率已經達到較高水平后，數據保持能力的評估就擺到了首要的位置。如何有效、經濟、快速地評估，對晶圓廠緊跟市場、獲取較高利潤有直接的影響。由于存儲器數據丟失的機理不同，往往在實驗的后半程才發現失效，晶圓廠需重新投片、評估，往往半年到一年的時間都沒有完成。數據保持能力評估方法的效率高低，往往能夠決定這個項目從開發到量產的周期。項目能夠盡早開始盈利，是每一個晶圓廠技術研發部門追求的目標。

要使產品滿足數據保存“常溫下20年/85℃下10年”的業界標準，必須進行老化測試。為了提高評估效率，往往會在不同的高溫下進行加速老化并進行驗證，150℃/1000h和250℃/24h是業界常用的方法。如何盡快找到產品開發中的問題并采取最終的評估原則是儲存器開發階段的關鍵工作。其中，確定產品失效中的重要參數——激活能，是一項重要工作。

0.18μm工藝的EPROM從項目引進開始到芯片級（CP）測試良率達到85%后，隨后進行數據保持（DR）可靠性測試。測試結果發現在150℃/1000h后數據保持測試始終是通過的，而在250℃/2h后，數據開始有明顯的丟失。針對各種失效情況，工藝開發部門做了一些工藝改進，使之能夠在250℃下保持到8h~12h時出現失效。如何確定老化溫度，提高測試效率（即引入合適的加速因子如24h，確定評估原則）就成為首要的工作。

2 評估測試原理介紹

在可靠性實驗中，加速因子的引入對可靠性評估極為重要。產品壽命根據Arrhenius公式可以表示為[1]：

其中k為波爾茲曼常數（8.617×10-5eV/K），T為工作絕對溫度，A為一時間常數，Ea為激活能。在同一批次產品中，A、Ea為一常數，與產品失效機制有關，可由實驗測定。由公式（1）可得結論一：Ea越大，產品的壽命越長，越不易失效。

為確定某一批產品在某一溫度下的壽命（通常指一批產品的平均壽命），進而求得加速評估溫度，需確定A和Ea。通常采用以下方法：定義熱加速因子TAF，

T1、T2為加速溫度（如85℃、150℃）。由（2）式得到結論二：激活能越大，溫度加速因子TAF也越大；在同樣的加速溫度下，在同樣的時間內沒有失效，更能夠保證85℃下的壽命，加速試驗效果越明顯。圖1所示為兩個不同Ea下的壽命曲線。可見Ea小的電流下降速率快，說明加速老化條件下其失效也快。Ea理論上是一常數（假設所有bit的狀態都一樣），由不同溫度下測試的預估壽命可以得到Ea，由公式（2）知老化溫度差值越大，TAF越大。

圖1 兩個不同Ea下的壽命曲線

TAF由要求達到的壽命的比值確定（即理想值），算出來的Ea是理論計算值。將算出來的Ea值代入公式（1），可以得到A。

例如，用150℃/1000h的標準評估在85℃下保存1 0年的激活能，可根據公式（2）首先計算出TAF=365×10×24/1000=87.6，進而得到理論計算值Ea=0.898eV，A=常量。同時，我們看到，老化溫度越高，壽命越短。老化溫度T2>150℃時，TAF>87.6，產品壽命更短；假如該溫度下產品仍然可靠，則在150℃/1000h時產品必然是可靠的，更能滿足85℃下10年的要求。

如何確定最終的理論加速老化溫度呢？在產品評估的初期150℃/1000h下的標準能夠保證產品質量。在批量生產時，鑒于生產控制和成本的考慮，加速老化時間一般設為24h（該老化時間是優化的目標），同樣可計算得到TAF=1000/24=41.67，T1=150+273=423，將求得的Ea=0.898eV代入公式（2），可以求得理論加速溫度T2=225℃。

實際測量時，TAF由實際測得的壽命決定，算出來的Ea稱為實測值。比較理論值和實測值的大小可以判斷該產品壽命是否符合要求，實測值大于理想值時，產品是合格的。實際計算加速老化溫度時，要以實測的Ea為準。

實際工作中，IC產品可靠性評估通常是以最差的情況來衡量的，所以找出最差的Ea是一個重要的任務。當Ea>0.898eV時，150℃/1000h的評估已經足夠了。

已測定的不同電荷漏電機制對應的激活能如表1所示。通常DR失效模式包含多種模式，必須設計實驗去確定激活能，從而發現其失效模式。

表1 常見的失效模式和激活能

3 實驗方法

由基本器件物理知識知道，存儲單元的閾值電壓Vt反映了EPROM浮柵的數據保持能力。Vt的變化導致開關電路中源漏電流的變化，它們之間呈線性關系。

因此，可以通過測量開關電路中源漏電流的變化來檢驗存儲電荷丟失的情況。通過測量來確定激活能，發現失效原因，進而確定評估原則（即使用什么加速因子）。

如何確定產品在某一加速老化溫度下的壽命（即失效時間）呢？通常認為，源漏電流與老化時間之間呈負線性關系；低于某一大小的電流，即可判為電路失效，從而可以確定該溫度下的壽命。一般可以根據所測的若干個數據點，利用線性規劃來求得。Excel軟件提供了該功能，可以方便地得到。本實驗中，根據開關電路的開關特性，以源漏電流低于6 μ A為失效標準。

4 實驗結果

4.1 平均激活能

取EPROM的2000個單元的源漏電流平均值，評估在溫度150℃和200℃時隨時間變化的趨勢，測試數據如表2所示，擬合規劃圖如圖2所示。

表2 不同老化溫度下源漏電流隨老化時間的變化

圖2 擬合規劃圖

對所測數據進行線性規劃，壽命的規劃擬合結果為：5371h（150℃）和326h（200℃）。規劃擬合結果也在表2中示出。

由此二數據，再根據公式（2）可計算得到Ea=0.97eV，可見其大于之前的的理論計算，從評估方法來講，已經能夠滿足。

同時根據公式（1）對壽命進行指數規劃，確定待定的系數A=2×10-8，由此計算得到不同溫度下的平均壽命數據為：48 949.4年（25℃）、89.7年（85℃）、25.5年（100℃）。可見該數據滿足85℃下10年的要求。

圖3 壽命數據圖

4.2 最差激活能

評估的第一個階段，是先用250℃/168h的條件來評估，中間可以采樣6h、12h、24h、48h、168h。如果在較短時間內數據丟失嚴重，可以用紫外線擦除后寫入數據，再在150℃下進行評估，可以得到一個較小的Ea。與表1列出的典型值相比較，往往對工藝改進有幫助。

如果150℃/1000h可以通過，而250℃/24h不能通過，同樣可以計算Ea，利用Ea反推合適的溫度作為評估標準。

選取6組（每組3個存儲單元，該3個單元在室溫下所測源漏電流盡可能相等，從而表明其可比性）存儲單元進行測試，根據失效的判別原則，以大于6 μA輸出為0，小于6 μA輸出為1，來評判是否有足夠的電荷保留在柵級上。測試數據如表3所示。

250℃/12h后的源漏電流均小于6μA，全部判為失效。其中最差的第4個單元，250℃下僅能保存9.21h。這并不意味著不能滿足85℃/10年的標準。6個單元的Ea分別為1.05eV、1.08eV、1.03eV、1.06eV、1.06eV、1.08eV，滿足85℃/10年的標準。這說明用250℃/24h的評估標準并不適用于該產品。因而選取合適的溫度來評估數據保持特性是一個非常重要的工作。

200℃/168h下，采用同樣的計算方法得到6個存儲單元的Ea分別為0.88eV、0.92eV、0.79eV、0.86eV、0.85eV、0.90eV。選取最差單元的數據Ea=0.79eV，根據公式（1），經擬合計算得到A=9×10-7。由此計算得到不同溫度下的壽命數據為：2238.6年（25℃）、13年（85℃）、4.7年（100℃）。這個結果也能滿足85℃下保存10年的要求。

表3 不同老化溫度下源漏電流隨老化時間的變化二

在做數據保持可靠性評估時，當250℃/24h評估失效時，并不意味著在85℃下不能保持10年。當產品通過150℃/1000h的數據保持評估后，生產工藝往往就固定下來了。個別失效的點可能是生產制造過程中的異常，我們需要計算的是代表正常生產工藝的Ea值，基本上用統計方法來定出典型值（本例用取平均值的方法），便于不同客戶通常根據提供的Ea值來評估嵌入式系統中的EPROM在自己電路中的應用情況。但是批量生產前，EPROM的生產工藝穩定后，由Ea的平均值可以推算在什么溫度下烘烤24h，可以用來評估85℃/10年的標準。本例為225℃（Ea=0.97eV）。

5 結束語

隨著半導體存儲器業界越來越關注成本控制和評估中激活能的界定方法、開發周期，合適的只讀存儲器數據保持能力評估方法愈來愈重要，這里著重探討經濟有效的評估方法，供業界同仁參考。

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