集成电路可靠性介绍

可靠性的定义是系统或元器件在规定的条件下和规定的时间内，完成规定的功能的能力 (the ability of a system or component to perform its required functions under stated conditions for a specific period of time）。所谓规定的时间一般称为寿命（lifetime），基本上集成电路产品的寿命需要达到10年。如果产品各个部分的寿命都可以达到一定的标准，那产品的可靠性也能达到一定的标准。

集成电路在不同条件下的失效过程大致相同，可以划分为三个阶段：初期失效区、随机失效区和磨损失效区，失效率和使用时间之间的关系呈现“浴缸曲线”，如图15.1所示。使用初期失效率高，主要是由于集成电路的缺陷造成的，如硅片表面的划痕、玷污、划片应力、光刻缺陷等，这一阶段对集成电路平均寿命影响很大。为了避免“浴缸曲线”初期的不合格品出厂，往往加高电场和高温进行筛选，去掉不合格品。在随机失效阶段，失效率相对比较低，一般为一常数，器件特性基本恒定，但一旦发生故障，则常常是致命的。在磨损失效阶段，早期发明晶体管时，人们认为晶体管是固体器件、具有无限寿命，但集成电路已经发展到超大规模集成电路，每芯片上集成有1000万以上器件数，导致器件的尺寸不断精细化，失效率随着时间增大而提高出现磨损失效现象。

集成电路可靠性主要包括三个部分：设计可靠性、制程可靠性和产品/封装可靠性。

集成电路的可靠性涉及许多领域，如设计、制造、封装和测试。在新技术的开发中，每个新的制程模块（process module）的可靠性以及它与其他模块的交互作用，是至关重要的，也会影响到产品最后的可靠性。集成电路特征尺寸缩减，而其工作电压基本保持不变，对于制程工程师、设备工程师、可靠性工程师及制程整合工程师有着很大的挑战，在可靠性、设计和工艺开发之间有时需要做出权衡。在超大规模集成电路时代，可靠性设计概念是极其重要的，设计可靠性必须建立在IC开发的每个过程中，包括设计、工艺开发和制造的各个阶段。如此，新技术的可靠性才能得到一定的保证。

产品/封装可靠性是利用真实产品或特殊设计的具有产品功能的工艺评估载具（Technology Qualification Vehicle, TQV）对产品设计、制程开发、生产、封装中的可靠性进行评估。

制程可靠性是通过特殊设计的电子器件结构来研究集成电路制程工艺相关的可靠性失效模式的物理模型、寿命评估方法，并针对主要失效机理提出对策措施、消除制程开发和生产阶段中的可靠性问题，从而保证集成电路在特定使用年限内的可靠性，因此集成电路制程可靠性是集成电路制程研究开发的一个非常重要的部分。

从可靠性观点来看，集成电路制程中最关键的三个模块是：①晶体管（transistor），②栅氧化层，③金属互连层。表15.1列出和关键模块相关的可靠性失效模式。本文将对这些失效模式的物理图像、模型及重要现象作简单介绍。