IC工艺技术13-集成电路可靠性解析

可靠性设计
－工艺设计时的考虑
• 氧化膜中的可动离子 • 氧化膜TDDB水平 • 选择表面钝化膜，防止灰尘和水汽等原 因造成的退化 (SiO2, PSG, Si3N4, Polymide)
硅片级可靠性测试
• TDDB测试 • 电迁移测试 • 热载流子测试
TDDB
• 直接评估介质电学特性，硅片级预测器 件寿命 • 测试样品为MOS电容或MOSFET • 四种方式：恒电压，恒电流，斜坡电压， 斜坡电流 • 测试参数：Ebd，tbd, Qbd Qbd＝tdbJ(t)dt
可靠性设计
－电路设计时的考虑
• 尽量减少接触点数目和芯片面积 • 尽量减少电流和功耗，pn结温 • 提高电路冗余度．如增加放大级数，减 少每级的增益，对逻辑电路，要使噪声 容限和扇出数留有余量 • 采用输入保护措施
可靠性设计
－器件和版图结构设计时的考虑
• 沟道长度设计要考虑热电子问题 • 铝布线的电流密度应在106A/cm2以下，以 防止断线和电迁移 • 元件布局，应将容易受温度影响的元件， 远离发热元件 • 在必须匹配的电路中，应将相关元件并 排或对称排列 • 版图上防止Latch up的措施 • 芯片边缘和划片道的设计
可靠性概念和表征方法
平均失效率 (Failure rate) （用于常数失效 区） Fr=Nf/Ndt
Nf 失效数 Ndt 器件数和试验小时数乘积
FIT(Failure In Time)=Fr*109
1小时内每109个(10亿)器件中有一个器件失效 时，称为1FIT (ppb), 或1000小时内每106个 (100万)器件中有一个器件失效时，称为1FIT 平均失效时间 MTTF (Mean Time to Failure) =1/Fr
有用寿命期（随机失效期）
浴盆曲线中第二个区域特点是失效速率 低且稳定，几乎是常数，该区域的长短则决 定了器件的使用寿命。影响此寿命的因素有 温度，湿度，电场等．最大因素是芯片温 度．失效机理有如：潮气渗入钝化层引起金 属锈蚀；金属间化合物生长引起的疲劳失效； 潮气沿界面渗入引起封装开裂等。该段时间 也是产品在客户手中使用和系统的预期寿命， 在该范围内的失效速率与系统失效紧密相 关．
Ig
Vs Vgs Vd
N+
N+
Isub Vb
热电子效应测试
• NMOS 0.5um 5V design • 测试方法 Vds=6.7V，7.0V, 7.3V Vss and Vbs=0V Vgs set to max Ibs 失效判据： Gm 偏移10% 时所需时间 T0.1 (->time to 0.1 failure) • 作Ibs/Ids－T0.1图 • 根据Berkeley model预测寿命 ttfIds=Cx-m (ttf 是失效0.1%的时间, C是 Ibs/Ids－T0.1图截距，m是斜率）
100 1000
5 0.5
1.6 16
（二）失效规律－浴盆曲线
浴盆曲线
Early Life Failure 早期失效期 Useful Life 偶然失效期 Wearout 耗损失效期
失 效 速 率
时间
早期失效期
器件的早期失效速率很快，且随 时间迅速变小，早期失效原因主要 是由于设计和制造工艺上的缺陷引 起．例如：氧化物针孔引起栅击穿， 压焊不牢引起开路．通过加强制造 过程质量管理来减少早期失效．老 化筛选可以帮助剔除这些早期失效 产品。
集成电路技术讲座
第十三讲
集成电路可靠性
Reliability
集成电路可靠性
（一）可靠性概念和表征方法 （二）失效规律－浴盆曲线 （三）硅片级可靠性设计和测试 （四）老化筛选和可靠性试验 （五）失效模式和失效分析
（一）可靠性概念和表征方法
可靠性概念和表征方法
• 集成电路的可靠性是指集成电路在预期寿命内， 在规定的条件下正常工作的概率．即集百度文库电路 能正常使用多长时间． • Unreliability F(t)=r/n n 总样品数 r 失效数 • Reliability R(t)=(n-r)/n • Failure Density f(t)=f(t,t+t)=r/n • Failure Rate (t)=(t,t+t)=r/(n-r)
耗损失效期
在曲线的最后区域，失效速率急剧上 升，意味着封装器件达到了预期寿命，诸如 开裂和过度的应力不可能对该区域有重大影 响，因为这些问题造成的失效应更早出现。 引起该失效的最典型的原因是较慢锈蚀过程 的累积效应。失效速率开始快速上升的时间 应该超过系统的预期寿命，以保证消费者的 质量要求。
（三）硅片级可靠性设计和测试
与失效速率有关的函数
在给定时间间隔dt中失效的总数分数可用函数 f(t)dt表示，f(t)为失效速率，累积失效数目 是该函数对时间的积分， 即为累积失效函数
可靠性函数定义为在时间为t时仍未失效的总数 分数
失效函数的描述
• 正态分布 f(t)=[1/(2)-0.5]Exp{-1/2[(t-)/ ]2} F(t)= [1/(2)-0.5] t Exp{-0.5[(t)/ ]2}dt • Webull分布 -(t/ ) F(t)=1-e 为器件的特征寿命 为形状函数
TDDB测试
TDDB
TDDB
电迁移现象
MTF=AJ-n exp[-EA/kT]
MTF=20 年
Jmax=105A/cm2
电迁移测试
% 积 累 失 效 90 70
Pure Al
Al-4%Cu
50 30 10
6 10 100
J=4E6A/cm2 T=175℃
400 1000 MTF (hr)
热电子效应
塑封器件现场统计失效率例
(FIT)
器件类型 地面 线性IC 数字SSI/MSI 存储器，微处 理器 3 0.97 2.3 应用环境 民用飞机 5.4 10 14 汽车 32 11 13
美国可靠性分析中心（90年代）
器件失效对系统性能的影响
Data set: 150 to 225 ICs
failure mean time to rate (FIT) failure (year) 10 51 percent of sets failing per month 0.16
硅片级可靠性（工艺可靠性）
• 产品可靠性取决于设计，工艺和封装 • 相同设计规则，相同工艺和封装的不同 产品应有相同的可靠性水平 • 可靠性要从源头－设计抓起 • 可靠性是内在质量，是靠‘做’出来的， 不是靠‘测’出来的
可靠性设计
• 电路设计的可靠性考虑 • 器件和版图结构设计的可靠性考虑 • 工艺设计的可靠性考虑