半导体集成电路的可靠性评价

文章来源：学习那些事‍‍‍

原文作者：小陈婆婆‍‍‍

半导体集成电路的可靠性评价是一个综合性的过程，涉及多个关键技术和层面,本文分述如下：可靠性评价技术概述、可靠性评价的技术特点、可靠性评价的测试结构、MOS与双极工艺可靠性评价测试结构差异。

可靠性评价技术概述

可靠性评价技术的核心组成部分

1.可靠性评价（REM）：这是一个与时间密切相关的技术，旨在通过特定的测试结构和试验方法来评估集成电路的可靠性。REM技术通过模拟实际使用环境中的各种应力条件，来揭示集成电路潜在的失效机理。

2.工艺质量监测（PCM）：PCM技术关注于生产过程中的工艺参数，通过提取这些参数来监控工艺的稳定性。PCM为SPC提供了基础数据，是确保工艺质量稳定的重要手段。

3.统计过程控制（SPC）：SPC技术基于PCM提取的数据，运用统计学方法对工艺过程进行监控和控制。通过SPC，可以及时发现工艺中的异常波动，从而采取纠正措施，确保产品质量。

可靠性评价试验的实施

1.可靠性评价测试结构：这些测试结构与待评估的集成电路经历相同的工艺过程，因此能够反映实际产品的可靠性水平。测试结构的设计应充分考虑集成电路的失效机理和应力条件，以确保评价的准确性。

2.加速试验：加速试验是可靠性评价中常用的一种方法，通过提高应力水平来加速失效过程，从而在较短的时间内获得可靠性数据。加速试验的关键在于选择合适的加速因子和应力条件，以确保试验结果的准确性和可靠性。

3.试验数据的统计分析和计算：对试验数据进行统计分析是可靠性评价的重要环节，通过计算各种可靠性指标（如失效率、平均无故障时间等）来定量评价工艺的可靠性。统计分析方法的选择应根据试验数据的特性和可靠性评价的需求来确定。

4.评价层次：可靠性评价试验可以在不同的层次上进行，包括圆片级、装配级和封装级。每个层次的评价都有其特定的目标和要求，通过综合各个层次的评价结果，可以全面评估集成电路的可靠性水平。

可靠性评价的意义和作用

提高产品质量：通过可靠性评价，可以及时发现和纠正工艺中的缺陷和问题，从而提高产品的质量水平。

降低生产风险：通过对薄弱环节的加固和改进，可以减少生产过程中的风险，提高产品的可靠性和稳定性。

支持产品研发：可靠性评价为产品研发提供了重要的数据支持，有助于优化产品设计，提高产品的市场竞争力。

综上所述，半导体集成电路的可靠性评价是一个复杂而重要的过程，涉及多个技术和层面。通过综合运用可靠性评价技术，可以全面评估集成电路的可靠性水平，为产品质量提升和产品研发提供有力支持。

可靠性评价的技术特点

简化模型

1.多种失效机理并存：在一个电路中，往往存在多种失效机理，这些机理在电路的工作过程中同时起作用。

2.主导失效机理的识别：对于特定的电路，总会有一种失效机理起主导作用，成为电路失效的主要原因。其他失效机理虽然存在，但对电路的失效起次要作用，主要影响电路的失效时间。

3.单一失效机理模型的应用：在可靠性评价中，为了简化问题并便于工程应用，通常针对单一失效机理来考虑，建立单一失效机理的可靠性评价模型。这种方法有助于更清晰地识别和解决主要的失效问题，提高评价的准确性和效率。

快速评价

1.加速试验条件：可靠性评价试验通常在高温、大电流密度或高电压条件下进行，这些条件能够加速电路的失效过程。

2.加速系数的作用：通过提高应力条件，可以获得较大的加速系数，从而在较短的时间内获得一批可靠性数据。

3.快速评价的优势：相对于使用失效来评价可靠性，加速试验能够在更短的时间内提供大量的可靠性数据。通过对这些数据的统计分析，可以对金属化电迁移、热载流子注入效应、与时间有关的栅介质击穿、接触退化、键合退化和表面态等可靠性问题进行评价。快速评价有助于及时发现和纠正工艺中的缺陷和问题，提高产品的质量和可靠性水平。

综上所述，半导体集成电路可靠性评价的技术特点主要体现在简化模型和快速评价两个方面。简化模型有助于更清晰地识别和解决主要的失效问题，而快速评价则能够在较短的时间内提供大量的可靠性数据，为产品质量提升和工艺优化提供有力支持。

可靠性评价的测试结构

在半导体器件的可靠性评价中，测试结构扮演着至关重要的角色。

基本的可靠性测试结构

1.金属电迁移/应力迁移测试结构：设计上采用各种结构的金属条结构，用于评价金属的抗电迁移和应力迁移能力。

2.连接孔的电迁移测试结构：专注于评价金属间连接通孔的电迁移可靠性。

3.接触退化测试结构：采用接触孔及孔链结构，用于评价接触电阻的退化情况。

4.热载流子注入效应测试结构：主要采用不同宽长比的单管（MOS工艺）和各种NPN单管（双极工艺），用于评价热载流子注入对器件性能的影响。

5.与时间有关的栅介质击穿测试结构：采用不同面积的栅氧化层电容，用于评价栅介质的击穿特性。

6.键合退化测试结构：用于检测键合性能的好坏，确保键合的可靠性。

7.溅射损伤测试结构：用于评价溅射工艺对可靠性的影响，特别是溅射时圆片表面充电对栅氧化层的影响。

8.界面态结构：用于表征工艺参数，如氧化层厚度、平带电压、阈值电压等，以及测量陷阱电荷和界面态密度的变化量。

MOS与双极工艺可靠性评价测试结构差异

MOS工艺

电迁移测试结构：采用各种结构的金属条结构。

热载流子注入效应测试结构：主要采用不同宽长比的单管。

与时间有关的栅介质击穿测试结构：采用不同面积的栅氧化层电容。

接触退化测试结构：采用接触孔及孔链结构。

双极工艺

电迁移测试结构：同样采用各种结构的金属条结构。

热载流子注入效应测试结构：主要采用各种NPN单管。

接触退化测试结构：与MOS电路相似，采用接触孔及孔链结构。

参数漂移测试结构：主要采用栅控管、单管、氧化层电容结构，用于测量器件参数的变化情况。

测试结构的作用与分类

作用：确认工艺线的可靠性水平，减少生产风险。

通过加速试验或电测获取基本的可靠性参数和可靠性信息。

分类：工艺用测试结构：用于对工艺参数进行检测，包括薄层电阻结构、互连线结构、氧化层电容结构等。

可靠性评价用测试结构：用于对失效机理进行评价，包括金属化电迁移、热载流子注入效应、与时间有关的栅氧化层击穿等测试结构。

其他实用的可靠性测试结构

电容电压（CV）结构：用于表征工艺参数，如氧化层厚度、平带电压、阈值电压等，以及测量陷阱电荷和界面态密度的变化量。

闩锁测试结构：用于评价各种结构的抗闩锁能力。

ESD测试结构：用于评价所设计的结构抗静电放电性能。

通过综合运用各种可靠性测试结构，可以全面评估半导体器件的可靠性水平，为产品质量提升和工艺优化提供有力支持。

影响测试结构的因素

在微电子工艺的可靠性评价中，测试结构的设计和实施受到多种因素的影响，这些因素直接关系到测试结果的准确性和可靠性。以下是对影响测试结构的主要因素进行重整和分述：

设计因素

1.范德堡图形设计：

结构对称性：范德堡图形应高度对称，以确保测试结果的准确性。

有效区域：正十字的中心部分是测试薄层电阻的有效区域，设计时应确保该区域符合要求。

引出臂长度：引出臂长度的选择应合理，长宽比建议在1~2之间，以优化测试性能。

2.互连线测试结构设计：

长度要求：互连线测试结构应足够长，以全面考察互连线的完整性。

3.金属化电迁移测试结构：

直线设计：测试图形通常为一条直的金属线，设计在氧化层上。

横截面积均匀性：金属线的横截面积应均匀，以保证测试线在形成明显空洞前有近似均匀的温度。

材料与工艺因素

1.金属条性能稳定性：在应力作用下，被测金属条的性能应稳定，能对金属化质量问题做出敏感响应。

2.中位寿命：测试结构的中位寿命应足够长，以便在电阻发生明显变化前进行测量。

3.温度选取：温度的选取会影响失效时间的精度，应与金属条在应力作用下的温度平均值一致。

4.设计宽度一致性：当用中位失效时间对相同厚度的金属化进行比较时，测试线应有相同的设计宽度。

测试条件与误差控制

1.电压降限制：在测试结构上，电压降应受到限制，以减少失效瞬间可能因大电阻产生的热能。

2.应力偏差控制：结构之间所受应力与应力平均值的偏差会影响失效时间，应保持在较小范围内。

3.热效应考虑：当芯片上有多个测试结构同时产生焦耳热时，需考虑相互之间的热效应，必要时对测量值进行校正。

4.热载流子注入效应测试：测试结构应使用最小沟道长度，避免窄沟热载流子注入效应，并确保所有引线端连接。

5.电容测试结构：包括大面积电容、条形电容和天线结构，用于考察氧化层的可靠性、缺陷率和电荷收集情况。

6.多晶栅电极考虑：当使用多晶作栅电极时，需考虑接触电势差和耗尽层的影响，以及高掺杂对耗尽效应的抑制作用。

7.表面漏电流控制：在设计和测试氧化层测试结构时，应考虑表面漏电流产生的误差，并采取相应措施进行限制和校正。

8.电流源相关问题：避免高场穿透电流、位移电流、峰值电流和相邻结构漏电流对测试结果的影响，采用宽条金属和多晶连接线、多个并行连接孔和通孔等措施。

综上所述，影响测试结构的因素涉及设计、材料与工艺、测试条件与误差控制等多个方面。为确保测试结果的准确性和可靠性，在设计测试结构时应充分考虑这些因素，并采取相应的措施进行优化和控制。