半导体集成电路可靠性测试及数据处理方法分析研究

王士江

（圣邦微电子（北京）股份有限公司，北京 150000）

在发展制造半导体集成电路的技术中，逐渐减小了集成电路的体积，而半导体集成电路的制造工艺和电路结构也更加复杂化。半导体集成电路的可靠性因为工艺误差和有关因素影响而加重。所以，为了提高半导体集成电路的工艺可靠性，减小评价产品可靠性的成本，要加大对半导体集成电路可靠性的测试。

1 半导体集成电路的可靠性测试

1.1 半导体的可靠性

在半导体的器件中，集成电路是一个重要类别，朝着高精度、低功耗、高速度和高集成度发展，同时，其尺寸也不断变小，而器件的二维效应则明显提高。集成电路内部的电场密度、电流都所有增加，与此同时，电路出现性能缺陷的概率也在提升。在大力发展、广泛应用集成电路阶段，半导体式的集成电路也逐渐应用到恶劣环境内，在大功率、强辐射、高频、高压和高温的条件中，半导体式集成电路的可靠性出现了不稳定。当前，在研究半导体式集成电路的行业中，我国主要利用被动筛选方式检测产品的可靠性。然而，这种方法的成本高、周期长，也无法根本性地提高半导体集成电路可靠性。因此，要深入探讨和分析半导体集成电路的应用条件，探讨不同环境中集成电路器件失效、性能退化而出现的物理反应和诱发应力，以出现的诱发应力与物理反应参数对集成电路产品的可靠性进行设计。在对半导体集成电路进行研究的过程中，要综合考虑优化和加固封装、线路和版图，保证器件寿命期限内电参数持续保持正常。

1.2 半导体集成电路的工艺可靠性

要想大幅度提升集成电路产品的可靠性，加强对制造工艺可靠性的研究是主要途径，也是关键性环节。在研究集成电路产品的可靠性中，要分析制造技术会如何影响到半导体式集成电路使用的可靠性，对保证可靠性的工艺流程进行着重控制与监测，构建评价集成电路产品制作工艺可靠性的规范化程序和有效方法，这些程序与有效方法能够促进对半导体式集成电路可靠性的研究。要想保障实物产品的可靠性，则必须确保其工艺具有较高的可靠性。

在评价和控制工艺可靠性的研究中，基本出发点是保证工艺的可靠性，从而保障产品的可靠性。在研究工艺中，要依据不同的失效原理设计测试微电子可靠性的结构，并组织实施加速试验，得到失效机理下产品的有关参数和信息，在测试微电子的结构中构建可靠性测试与设备可靠性之间的联系，保证工艺具有较高的可靠性。在工艺可靠性探索中，可以有效控制载体中生产集成电路的流程，借助我国生产集成电路已有生产线，以此为基础研究恰当的评价方法和控制集成电路可靠性的方法，以圆片级和封装级的LR为基础，建立评价工艺可靠性的平台。

1.3 评价半导体元件保持可靠性的时间

在各种类型的电子设备中，半导体都是基础元器件是一个重要的组成部分，半导体式元器件的可靠性能对设备整体性能与可靠性产生了直接影响。在制造半导体行业中，研究半导体的可靠性有重要价值。半导体式器件的设计和生产直接关系到产品的可靠性。测试半导体式元器件可靠性的措施一般是采用可靠性评价，借助统计工具、用来仿真的模拟对半导体元件质量、使用寿命的周期、失效率等进行评定。代表半导体元件可靠性的指标中，使用寿命是关键。评估半导体在寿命方面的可靠性，其具体方法为：选择对集成产品进行模拟的高可靠性产品，比如典型性军用产品，通过对产品参数进行分析，研究能延长产品寿命的技术，将适合应用到军用产品中的集成电路作为参考，着重研究可以评估集成电路寿命可靠性的预测方法，比如人工神经网络、时间序列、回归分析、灰色理论等。同时，要充分利用用户反馈的产品有关数据、试验数据，在研究半导体器件可靠性的综合评价中，要讨论贝叶斯法，并采取蒙特卡洛仿真法研究能够对半导体元器件的可靠性进行预测的方法，尽量满足军用、航天等对可靠性要求较高的单位对半导体式集成电路在寿命可靠性方面的需求。

2 注入热载流的测试技术和处理数据方法

2.1 注入热载流子的测试

在评估半导体式集成电路的可靠性中，在晶圆级别注入热载流子的测试是一项重要内容，对热载流子的测试主要利用的是实际能量和变焦费米能级。半导体式集成电路的器件中，源电压遗漏之所以会出现载流子的漏电极限，主要因为在漏端周围有高电场强度出现，一旦载流子进入强电场范围中，高能的能量子就变成热载流子，且电子在碰撞中热载流子会发生新电子的空穴对，深化电离反应。在热载流子的数量增加时，能量也增多。在电离反应中，热载流子开展测试要经过长时间的电应力，测量不同电性参数的具体数值。

2.2 处理数据的方法

半导体式集成电路的元器件中，对测试热载流子的过程、处理热载流子数据的手段有标准化的规定。通常情况下，变化量的电性参数会随着时间变化，并逐渐演变为幂函数关系，其表达式为Y（f）=Ctn.Y（t）可以表示随时间变化，电性参数出现相应变化，其计算公式为：

式（1）中：P（0）为参数原始数据；P（t）为t时刻电性参数发生的演变量。

此外，选择数字来表示记录电性参数的时间间隔，比如10 s、20 s。

在测试热载流子中，半导体式集成电路的器件通过处理数据，获取热载流子的测试数据，公式为lnY（f）=nlnt+lnC，针对所得计算出参数n和c的具体数值。通常情况下，在做完热载流子的试验后，在对有关试验数据进行整理的过程中，要依据预定参数的数值深入计算电性参数发生的变化量，一直到与预定的数值、时间相符。在热载流子试验中，不同的样品所需要的试验时间也有所不同，通过这些不同的时间能预先判断测试热载流子的使用周期和寿命。热载流子试验中，一般采取的寿命模型公式为：

式（2）中：H为拟合的线性参数；IWB为衬底电流；Id为漏电流；W为栅宽度。

3 测试栅氧化层的技术和处理数据的方法

在半导体式集成电路的制造过程中，栅氧化层的作用比较大，在集成电路规模的扩大中，也在提升集成电路的厚度，器件体积减小时，其厚度也在缩小。因栅氧化的作用比较重要，也比较重视其可靠性。栅氧化层出现的可靠性问题通常是栅氧化层出现缺陷密度、介质穿击等。在测试栅养护层方面主要采取的措施为：在相同时间结点中将联系介质作为对象，实施穿击测试、斜坡电压的测试。

3.1 斜坡电压的测试

斜坡电压的测试主要是在栅极上添加线性的斜坡电压，直到电压将氧化层击穿。与斜坡电压的测试不同，斜坡电流的测试主要是将一定指数的斜坡电流添加到栅极上面，一直到击穿养护层。斜坡电压测试和斜坡电流测试都是测量栅氧化层在缺陷时，其密度情况。通常斜坡电压测试要在电压的一定范围中开展。如果氧化层被电压击穿，则电压小于设定电压，证明氧化层出现了缺陷，同时能确定栅养护层处于无效状态。以Poisson分布为前提的成品率公式能利用公式将相应缺陷密度计算出来，其中，Y为成品率，即有效样品在总测试样品中所占的比例；A为受测样品的面积；Do为缺陷密度。在利用电压和斜坡电流大量测试过成本后，利用计算公式得到成品率，同时借测试样本的面积计算缺陷密度。如果缺陷密度不符合设置标准，就代表测试失败。

3.2 介质击穿实验

介质击穿就是时间有关的介质击穿，其测试流程主要为：在栅极上加本征击穿的场强，保证该场强比栅氧化层小，则不会出现本征击穿。但因电应力施加中氧化层会出现缺陷，一段时间后会有击穿现象出现。在对集成电路的可靠性进行评定时，主要限制因素是同样时间下栅氧介质发生的击穿。通常电流过高会造成电荷发生累积反应，氧化硅的电场超出限制，导致击穿现象出现。

4 结束语

在实际应用半导体集成电路时，一个关键问题就是可靠性，其关系到器件能不能正常发挥作用和其工作的可靠性。因此，要深入研究测试半导体集成电路可靠性的方法和处理数据的方法，保证半导体集成电路使用的可靠性。

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