半導體集成電路可靠性測試及數(shù)據(jù)處理方法分析研究

王士江

（圣邦微電子（北京）股份有限公司，北京 150000）

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

1 半導體集成電路的可靠性測試

1.1 半導體的可靠性

在半導體的器件中，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，而器件的二維效應則明顯提高。集成電路內部的電場密度、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、廣泛應用集成電路階段，半導體式的集成電路也逐漸應用到惡劣環(huán)境內，在大功率、強輻射、高頻、高壓和高溫的條件中，半導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體集成電路可靠性。因此，要深入探討和分析半導體集成電路的應用條件，探討不同環(huán)境中集成電路器件失效、性能退化而出現(xiàn)的物理反應和誘發(fā)應力，以出現(xiàn)的誘發(fā)應力與物理反應參數(shù)對集成電路產品的可靠性進行設計。在對半導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電參數(shù)持續(xù)保持正常。

1.2 半導體集成電路的工藝可靠性

要想大幅度提升集成電路產品的可靠性，加強對制造工藝可靠性的研究是主要途徑，也是關鍵性環(huán)節(jié)。在研究集成電路產品的可靠性中，要分析制造技術會如何影響到半導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，構建評價集成電路產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體式集成電路可靠性的研究。要想保障實物產品的可靠性，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，從而保障產品的可靠性。在研究工藝中，要依據(jù)不同的失效原理設計測試微電子可靠性的結構，并組織實施加速試驗，得到失效機理下產品的有關參數(shù)和信息，在測試微電子的結構中構建可靠性測試與設備可靠性之間的聯(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集成電路的流程，借助我國生產集成電路已有生產線，以此為基礎研究恰當?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，建立評價工藝可靠性的平臺。

1.3 評價半導體元件保持可靠性的時間

在各種類型的電子設備中，半導體都是基礎元器件是一個重要的組成部分，半導體式元器件的可靠性能對設備整體性能與可靠性產生了直接影響。在制造半導體行業(yè)中，研究半導體的可靠性有重要價值。半導體式器件的設計和生產直接關系到產品的可靠性。測試半導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體元件質量、使用壽命的周期、失效率等進行評定。代表半導體元件可靠性的指標中，使用壽命是關鍵。評估半導體在壽命方面的可靠性，其具體方法為：選擇對集成產品進行模擬的高可靠性產品，比如典型性軍用產品，通過對產品參數(shù)進行分析，研究能延長產品壽命的技術，將適合應用到軍用產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測方法，比如人工神經網絡、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品有關數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)，在研究半導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對半導體元器件的可靠性進行預測的方法，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。在熱載流子的數(shù)量增加時，能量也增多。在電離反應中，熱載流子開展測試要經過長時間的電應力，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，在對有關試驗數(shù)據(jù)進行整理的過程中，要依據(jù)預定參數(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和處理數(shù)據(jù)的方法

在半導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：在相同時間結點中將聯(lián)系介質作為對象，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置標準，就代表測試失敗。

3.2 介質擊穿實驗

介質擊穿就是時間有關的介質擊穿，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發(fā)生的擊穿。通常電流過高會造成電荷發(fā)生累積反應，氧化硅的電場超出限制，導致?lián)舸┈F(xiàn)象出現(xiàn)。

4 結束語

在實際應用半導體集成電路時，一個關鍵問題就是可靠性，其關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，保證半導體集成電路使用的可靠性。

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