半导体集成电路可靠性设计及其测验方法

　　摘要：半导体集成电路在当前社会发展和工业生产中占据重要地位，能够给生产生活提供极大便利条件。本文主要从可靠性测试在半导体集成电路中的重要性分析入手，重点阐明可靠性设计技术的内容，并提出了一些科学可行的可靠性测试和和数据处理方法，为切实保证半导体集成电路的质量和应用性能，提供一定借鉴和参考。

　　关键词：半导体； 集成电路； 可靠性测试； 数据处理；

　　0 前言

　　可靠性是当前衡量产品质量的一个重要因素，属于产品使用年限分析的一门全新学科。现阶段工艺技术手段不断提升，使用材料也越来越新型化，半导体集成电路线宽有所降低，应用效果显著上升。国内近些年来集成电路制造产业取得良好发展成果，能够良好支持半导体集成电路可靠性研究活动。

　　1 可靠性测试在半导体集成电路中的重要性

　　国内制造行业取得良好发展成果，半导体集成电路制造技术也迅猛发展，超大规模集成电路体积明显缩减，以硅基单片数字作为标志，实际制造工艺和电路结构也呈现出越来越繁杂的特点[1].为充分发挥半导体集成电路的优势和作用，需要在制造环节确保其总体质量，不容忽视的是，半导体集成电路制造活动进行中，工艺误差等因素给可靠性带来的影响也有所加重。在分析产品使用年限，衡量产品实际应用质量方面，可靠性是一个重要指标。想要充分保证半导体集成电路工艺的可靠性，合理控制好产品可靠性评价所耗费的成本，当前很多半导体集成电路厂商积极使用晶圆级可靠性测试工作，从而准确检测出半导体集成电路的实际质量和应用性能，便于及时发现其中存在着的问题并加要良好改进和优化，进而极大程度上提升半导体集成电路的生产和运用效果。

　　2 半导体集成电路可靠性设计技术

　　半导体集成电路朝着高速度、高精度、低耗能的方向发展，集成度越来越高，在工艺特征尺寸方面也逐渐减小，器件二维效应增强，促进电流和电场密度有所增加。为增强半导体集成电路可靠性，需要在设计阶段就采用一系列科学举措加以控制，重点研究环境引起的退化诱发应力和集成电路器件失效情况，综合考量到线路、版图、工艺以及封装等要素，良好维持电参数处在正常状态中[2].开展可靠性评价和控制工作，需要注重研究和监测好半导体集成电路的实际制造环节。半导体是各类电子设备中的基本组成元器件，生产和设计环节都会影响到产品可靠性的预测和评估效果。在半导体集成电路可靠性评价中，积极使用可靠性评价的方法，利用相应模拟仿真软件、数据统计工具针对半导体器件的失效率、可靠性质量等级、使用寿命周期等方面加以评定。选择高度可靠的模拟集成电路产品，从半导体集成电路的实际特点出发，研究其常用的技术手段。以典型军用产品为例加以分析，可以使用时间序列分析方法、人工神经网络预测方法、灰色理论预测方法以及回归分析预测方法等手段，将能够判断相关产品的可靠性及其和军用集成电路适用性。

　　3 半导体集成电路可靠性测试和数据处理方法

　　3.1 热载流子注入测试

　　针对半导体集成电路开展晶圆级可靠性测试活动的过程中，热载流子注入测试是一项重要内容，从实际能量和费米能级加以比较，热载流子数量巨大。在遗漏的源电压条件下，中集成电路器件载流子会达到漏电的极限，这主要是因为漏电周围有电场强度区域，且这些区域电场强度较高，当载流子进入区域之中，具有高能的能量子将会发生转变，成为热载流子。在这种背景下，电子的相互碰撞会促使热载流子形成新的电子空穴对，电离程度更高。在热载流子数量不断增多的过程中，能量也有所增加。实施热载流子测试活动，多是这长时间电应力测试集成电路，并从中间读点测量好不同电性参数的具体数值情况。

　　在测试半导体集成电路热载流子以及实施全面数据处理的过程中，可以按照JEEDEC国际标准中的JESD60和JESD28,将能够起到良好效果[3].如NMOS器件运行中，电性参数会随着时间的变化量发生变化，逐渐演变成为幂函数关系，具体公式为：

　　Y（f）=Ctn（1）

　　Y（t）=（2）

　　上述公式中，Y（t）是指电性参数的相对变化量，P（0）指代电性参数的原始性数据，而P（t）则表示t时刻下电性参数值的素质情况。

　　现行JESD28-1标准，给有效研究NMOS器件的热载流子测试数据提供了准确可靠的手段和支持，即公式

　　1n=Y（f）=1nC+n1nt（3）

　　从这一公式出发，将能够获取到热载流子测试数据，给判断NMOS器件的相关情况提供良好支持，积极使用到最小二乘法开展线性拟合工作，凭借C和n参数将能够得到准确数据结论。通常情况下，在开展热载流子实验活动的过程中，后期整理数据，需要从原设定的C和n参数出发，计算出电性参数相对变化量数值，从而判断出一些想要得到预先设定的数值及时间。大多数情况下测试热载流子，可以使用到的寿命模型有多个：（1）衬底--漏电流比例模型。这一模型所使用的公式为ttarId=HW（）。在这个公式中，在表示MOS的栅宽度时，使用W;Id表示漏电流；HW是拟合现性参数；而IWB则表示衬底电流[4].（2）构建漏源性电压加速物理模型，从不同条件出发，针对需要测量的样品数值进行有效分析和利用，如ttar和则Vds,从而得到相应的拟合性参数t0和B,由此将能够明确热载流子寿命所受到影响的因素，如物理条件等。

　　3.2 栅氧化层测试

　　半导体集成电路制造工作进行中，栅氧化层发挥着关键性作用，在集成电路规模逐渐扩大的同时，栅氧化层的厚度也会增加，相应地器件本身的体积则会有所减小。栅氧化层发挥着如此重要的作用，在开展可靠性测试活动时也不能忽略它。可靠性测工作开展中，较为关注到栅氧化层的质量，尤其是它的介质传檄和缺陷密度情况。实际测试活动进行时，是在同一时间段内开展的穿击测试和斜坡电压测试工作，这两项测试之间存在着密切联系。斜坡电压测试方法是施加一定指数的斜坡电流于栅极之上，确保其能够有效击穿氧化层，这是准确测试栅氧化层缺陷密度的重要方法。如在斜坡电压测试环节开展中，按照一定电压标准开展测试活动，当其中出现实现设定好的电压标准超过被击穿的电压，就表明这是由于氧化层中存在着不足之处，进一步可以确定出栅氧化层无法发挥应有的作用。实际开展可靠性测试活动进行中，可以从JESD35标准出发，按照poisson分布的成品率公式，可以准确判断产品的密度缺陷[5].

　　击穿实验在半导体集成电路测试活动中占据重要地位，是发挥栅氧化层应用优势的良好方法。击穿实验是指时间相关介质方面的击穿活动，具体应用过程中，需要选择到本征击穿场，其比栅氧化层要小，施加在栅极上，不会产生本征击穿的现象，但是需要注意到的是，实际开展电应力施加活动的过程中，将会导致氧化层中产生缺陷问题，在持续一段时间后，将会容易产生击穿情况。在相同时间下，在评定给半导体集成电路可靠性效果造成限制的因素方面，需要关注到栅氧介质的击穿情况。通常情况下，氧化硅当的电场超过一定限制，从而产生过高电流，形成电荷累积反应，这是击穿现象的形成过程。击穿氧化层会经历两个极端，一方面是构建磨损阶段，另一方面则是击穿阶段[6].

　　3.3 电迁移测试

　　测量半导体集成电路的可靠性的过程中，发挥电迁移测试方法的作用，将能够起到良好效果。对于金属相互连线情况来说，其产生电迁移是从集成规模扩展速度变化状态而引起的，互连线之间逐步提高电流密度，集成器件的体积也在慢慢缩减之中，给电迁移测试工作奠定重要的基础。从物理学概念来看，描述集成电路的电迁移现象，在不同的生产和实验环境中，集成电路金属户连线中存在着电流，电子传输活动进行中，会从导体质量出发传递金属阳离子，这样在导体的一些空间中会产生物理现象，如小丘现象和空洞现象等。细致分析和研究这类电迁移现象的产生背景，能够发现"强电子风"给其带来重要影响[7].如果电源负极向正极流动电子，能量碰撞的现象不可避免，在这个过程中，正极附近是金属阳离子，积累过多引起晶须现象的可能性较大，也会容易产生短路问题，而空穴位则会占据负极部分，这种情况保持着长时间的运行状态，会容易导致金属产生短路问题。为达到良好测试效果，一般要设定好不同类型的温度和压力条件，合理发挥恒定加速物理测试方式的作用。

　　4 结束语

　　半导体集成电路在当前社会建设和发展中占据重要地位，需要积极开展可靠性测试工作。实际实施可靠性测试工作的过程中，需要积极引进现代科学技术手段，系统性考量好半导体集成电路的实际功能，同时使用一些专门化技术手段，持续降低半导体集成电路的故障率，增强整个产品运行系统的优良性，这其中通过热载流子注入测试、栅氧化层测试以及电迁移测试，将能够起到良好效果。

　　参考文献

　　[1]马俊。半导体集成电路可靠性测试及数据处理方法分析研究[J].电脑编程技巧与维护，2016（10）：109-110.

　　[2]周圣泽，唐莎，唐锐，等。半导体集成电路电源拉偏测试研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2018,214（4）：16-19.

　　[3]雷凤霞。半导体集成电路可靠性测试及数据处理方法[J].天津中德应用技术大学学报，2015（4）：100-102.

　　[4]杨军伟。半导体器件热阻测量结构函数法优化及数据处理技术研究[D].北京工业大学，2016.

　　[5]高成，王长鑫，黄姣英，等。融合试验数据的模拟集成电路可靠性预计修正方法研究[J].集成电路应用，2019,36（8）：122-123.

　　[6]龚瑜，黄彩清，吴凌。不同应力下集成电路金铝硅系统可靠性评估[J].半导体技术，2019（7）：564-570.

　　[7] 李振锋，何超，范捷，等。浅谈厚膜混合集成电路可靠性的分析与提高[J].科学与信息化，2018（12）：230-231.