文章來源：學(xué)習(xí)那些事???

原文作者：小陳婆婆???

半導(dǎo)體集成電路的可靠性評價是一個綜合性的過程，涉及多個關(guān)鍵技術(shù)和層面,本文分述如下：可靠性評價技術(shù)概述、可靠性評價的技術(shù)特點(diǎn)、可靠性評價的測試結(jié)構(gòu)、MOS與雙極工藝可靠性評價測試結(jié)構(gòu)差異。

可靠性評價技術(shù)概述

可靠性評價技術(shù)的核心組成部分

1.可靠性評價（REM）：這是一個與時間密切相關(guān)的技術(shù)，旨在通過特定的測試結(jié)構(gòu)和試驗方法來評估集成電路的可靠性。REM技術(shù)通過模擬實際使用環(huán)境中的各種應(yīng)力條件，來揭示集成電路潛在的失效機(jī)理。

2.工藝質(zhì)量監(jiān)測（PCM）：PCM技術(shù)關(guān)注于生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)，通過提取這些參數(shù)來監(jiān)控工藝的穩(wěn)定性。PCM為SPC提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是確保工藝質(zhì)量穩(wěn)定的重要手段。

3.統(tǒng)計過程控制（SPC）：SPC技術(shù)基于PCM提取的數(shù)據(jù)，運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)方法對工藝過程進(jìn)行監(jiān)控和控制。通過SPC，可以及時發(fā)現(xiàn)工藝中的異常波動，從而采取糾正措施，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

可靠性評價試驗的實施

1.可靠性評價測試結(jié)構(gòu)：這些測試結(jié)構(gòu)與待評估的集成電路經(jīng)歷相同的工藝過程，因此能夠反映實際產(chǎn)品的可靠性水平。測試結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)充分考慮集成電路的失效機(jī)理和應(yīng)力條件，以確保評價的準(zhǔn)確性。

2.加速試驗：加速試驗是可靠性評價中常用的一種方法，通過提高應(yīng)力水平來加速失效過程，從而在較短的時間內(nèi)獲得可靠性數(shù)據(jù)。加速試驗的關(guān)鍵在于選擇合適的加速因子和應(yīng)力條件，以確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和計算：對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析是可靠性評價的重要環(huán)節(jié)，通過計算各種可靠性指標(biāo)（如失效率、平均無故障時間等）來定量評價工藝的可靠性。統(tǒng)計分析方法的選擇應(yīng)根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的特性和可靠性評價的需求來確定。

4.評價層次：可靠性評價試驗可以在不同的層次上進(jìn)行，包括圓片級、裝配級和封裝級。每個層次的評價都有其特定的目標(biāo)和要求，通過綜合各個層次的評價結(jié)果，可以全面評估集成電路的可靠性水平。

可靠性評價的意義和作用

提高產(chǎn)品質(zhì)量：通過可靠性評價，可以及時發(fā)現(xiàn)和糾正工藝中的缺陷和問題，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量水平。

降低生產(chǎn)風(fēng)險：通過對薄弱環(huán)節(jié)的加固和改進(jìn)，可以減少生產(chǎn)過程中的風(fēng)險，提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。

支持產(chǎn)品研發(fā)：可靠性評價為產(chǎn)品研發(fā)提供了重要的數(shù)據(jù)支持，有助于優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

綜上所述，半導(dǎo)體集成電路的可靠性評價是一個復(fù)雜而重要的過程，涉及多個技術(shù)和層面。通過綜合運(yùn)用可靠性評價技術(shù)，可以全面評估集成電路的可靠性水平，為產(chǎn)品質(zhì)量提升和產(chǎn)品研發(fā)提供有力支持。

可靠性評價的技術(shù)特點(diǎn)

簡化模型

1.多種失效機(jī)理并存：在一個電路中，往往存在多種失效機(jī)理，這些機(jī)理在電路的工作過程中同時起作用。

2.主導(dǎo)失效機(jī)理的識別：對于特定的電路，總會有一種失效機(jī)理起主導(dǎo)作用，成為電路失效的主要原因。其他失效機(jī)理雖然存在，但對電路的失效起次要作用，主要影響電路的失效時間。

3.單一失效機(jī)理模型的應(yīng)用：在可靠性評價中，為了簡化問題并便于工程應(yīng)用，通常針對單一失效機(jī)理來考慮，建立單一失效機(jī)理的可靠性評價模型。這種方法有助于更清晰地識別和解決主要的失效問題，提高評價的準(zhǔn)確性和效率。

快速評價

1.加速試驗條件：可靠性評價試驗通常在高溫、大電流密度或高電壓條件下進(jìn)行，這些條件能夠加速電路的失效過程。

2.加速系數(shù)的作用：通過提高應(yīng)力條件，可以獲得較大的加速系數(shù)，從而在較短的時間內(nèi)獲得一批可靠性數(shù)據(jù)。

3.快速評價的優(yōu)勢：相對于使用失效來評價可靠性，加速試驗?zāi)軌蛟诟痰臅r間內(nèi)提供大量的可靠性數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，可以對金屬化電遷移、熱載流子注入效應(yīng)、與時間有關(guān)的柵介質(zhì)擊穿、接觸退化、鍵合退化和表面態(tài)等可靠性問題進(jìn)行評價。快速評價有助于及時發(fā)現(xiàn)和糾正工藝中的缺陷和問題，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平。

綜上所述，半導(dǎo)體集成電路可靠性評價的技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在簡化模型和快速評價兩個方面。簡化模型有助于更清晰地識別和解決主要的失效問題，而快速評價則能夠在較短的時間內(nèi)提供大量的可靠性數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品質(zhì)量提升和工藝優(yōu)化提供有力支持。

可靠性評價的測試結(jié)構(gòu)

在半導(dǎo)體器件的可靠性評價中，測試結(jié)構(gòu)扮演著至關(guān)重要的角色。

基本的可靠性測試結(jié)構(gòu)

1.金屬電遷移/應(yīng)力遷移測試結(jié)構(gòu)：設(shè)計上采用各種結(jié)構(gòu)的金屬條結(jié)構(gòu)，用于評價金屬的抗電遷移和應(yīng)力遷移能力。

2.連接孔的電遷移測試結(jié)構(gòu)：專注于評價金屬間連接通孔的電遷移可靠性。

3.接觸退化測試結(jié)構(gòu)：采用接觸孔及孔鏈結(jié)構(gòu)，用于評價接觸電阻的退化情況。

4.熱載流子注入效應(yīng)測試結(jié)構(gòu)：主要采用不同寬長比的單管（MOS工藝）和各種NPN單管（雙極工藝），用于評價熱載流子注入對器件性能的影響。

5.與時間有關(guān)的柵介質(zhì)擊穿測試結(jié)構(gòu)：采用不同面積的柵氧化層電容，用于評價柵介質(zhì)的擊穿特性。

6.鍵合退化測試結(jié)構(gòu)：用于檢測鍵合性能的好壞，確保鍵合的可靠性。

7.濺射損傷測試結(jié)構(gòu)：用于評價濺射工藝對可靠性的影響，特別是濺射時圓片表面充電對柵氧化層的影響。

8.界面態(tài)結(jié)構(gòu)：用于表征工藝參數(shù)，如氧化層厚度、平帶電壓、閾值電壓等，以及測量陷阱電荷和界面態(tài)密度的變化量。

MOS與雙極工藝可靠性評價測試結(jié)構(gòu)差異

MOS工藝

電遷移測試結(jié)構(gòu)：采用各種結(jié)構(gòu)的金屬條結(jié)構(gòu)。

熱載流子注入效應(yīng)測試結(jié)構(gòu)：主要采用不同寬長比的單管。

與時間有關(guān)的柵介質(zhì)擊穿測試結(jié)構(gòu)：采用不同面積的柵氧化層電容。

接觸退化測試結(jié)構(gòu)：采用接觸孔及孔鏈結(jié)構(gòu)。

雙極工藝

電遷移測試結(jié)構(gòu)：同樣采用各種結(jié)構(gòu)的金屬條結(jié)構(gòu)。

熱載流子注入效應(yīng)測試結(jié)構(gòu)：主要采用各種NPN單管。

接觸退化測試結(jié)構(gòu)：與MOS電路相似，采用接觸孔及孔鏈結(jié)構(gòu)。

參數(shù)漂移測試結(jié)構(gòu)：主要采用柵控管、單管、氧化層電容結(jié)構(gòu)，用于測量器件參數(shù)的變化情況。

測試結(jié)構(gòu)的作用與分類

作用：確認(rèn)工藝線的可靠性水平，減少生產(chǎn)風(fēng)險。

通過加速試驗或電測獲取基本的可靠性參數(shù)和可靠性信息。

分類：工藝用測試結(jié)構(gòu)：用于對工藝參數(shù)進(jìn)行檢測，包括薄層電阻結(jié)構(gòu)、互連線結(jié)構(gòu)、氧化層電容結(jié)構(gòu)等。

可靠性評價用測試結(jié)構(gòu)：用于對失效機(jī)理進(jìn)行評價，包括金屬化電遷移、熱載流子注入效應(yīng)、與時間有關(guān)的柵氧化層擊穿等測試結(jié)構(gòu)。

其他實用的可靠性測試結(jié)構(gòu)

電容電壓（CV）結(jié)構(gòu)：用于表征工藝參數(shù)，如氧化層厚度、平帶電壓、閾值電壓等，以及測量陷阱電荷和界面態(tài)密度的變化量。

閂鎖測試結(jié)構(gòu)：用于評價各種結(jié)構(gòu)的抗閂鎖能力。

ESD測試結(jié)構(gòu)：用于評價所設(shè)計的結(jié)構(gòu)抗靜電放電性能。

通過綜合運(yùn)用各種可靠性測試結(jié)構(gòu)，可以全面評估半導(dǎo)體器件的可靠性水平，為產(chǎn)品質(zhì)量提升和工藝優(yōu)化提供有力支持。

影響測試結(jié)構(gòu)的因素

在微電子工藝的可靠性評價中，測試結(jié)構(gòu)的設(shè)計和實施受到多種因素的影響，這些因素直接關(guān)系到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。以下是對影響測試結(jié)構(gòu)的主要因素進(jìn)行重整和分述：

設(shè)計因素

1.范德堡圖形設(shè)計：

結(jié)構(gòu)對稱性：范德堡圖形應(yīng)高度對稱，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

有效區(qū)域：正十字的中心部分是測試薄層電阻的有效區(qū)域，設(shè)計時應(yīng)確保該區(qū)域符合要求。

引出臂長度：引出臂長度的選擇應(yīng)合理，長寬比建議在1~2之間，以優(yōu)化測試性能。

2.互連線測試結(jié)構(gòu)設(shè)計：

長度要求：互連線測試結(jié)構(gòu)應(yīng)足夠長，以全面考察互連線的完整性。

3.金屬化電遷移測試結(jié)構(gòu)：

直線設(shè)計：測試圖形通常為一條直的金屬線，設(shè)計在氧化層上。

橫截面積均勻性：金屬線的橫截面積應(yīng)均勻，以保證測試線在形成明顯空洞前有近似均勻的溫度。

材料與工藝因素

1.金屬條性能穩(wěn)定性：在應(yīng)力作用下，被測金屬條的性能應(yīng)穩(wěn)定，能對金屬化質(zhì)量問題做出敏感響應(yīng)。

2.中位壽命：測試結(jié)構(gòu)的中位壽命應(yīng)足夠長，以便在電阻發(fā)生明顯變化前進(jìn)行測量。

3.溫度選取：溫度的選取會影響失效時間的精度，應(yīng)與金屬條在應(yīng)力作用下的溫度平均值一致。

4.設(shè)計寬度一致性：當(dāng)用中位失效時間對相同厚度的金屬化進(jìn)行比較時，測試線應(yīng)有相同的設(shè)計寬度。

測試條件與誤差控制

1.電壓降限制：在測試結(jié)構(gòu)上，電壓降應(yīng)受到限制，以減少失效瞬間可能因大電阻產(chǎn)生的熱能。

2.應(yīng)力偏差控制：結(jié)構(gòu)之間所受應(yīng)力與應(yīng)力平均值的偏差會影響失效時間，應(yīng)保持在較小范圍內(nèi)。

3.熱效應(yīng)考慮：當(dāng)芯片上有多個測試結(jié)構(gòu)同時產(chǎn)生焦耳熱時，需考慮相互之間的熱效應(yīng)，必要時對測量值進(jìn)行校正。

4.熱載流子注入效應(yīng)測試：測試結(jié)構(gòu)應(yīng)使用最小溝道長度，避免窄溝熱載流子注入效應(yīng)，并確保所有引線端連接。

5.電容測試結(jié)構(gòu)：包括大面積電容、條形電容和天線結(jié)構(gòu)，用于考察氧化層的可靠性、缺陷率和電荷收集情況。

6.多晶柵電極考慮：當(dāng)使用多晶作柵電極時，需考慮接觸電勢差和耗盡層的影響，以及高摻雜對耗盡效應(yīng)的抑制作用。

7.表面漏電流控制：在設(shè)計和測試氧化層測試結(jié)構(gòu)時，應(yīng)考慮表面漏電流產(chǎn)生的誤差，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行限制和校正。

8.電流源相關(guān)問題：避免高場穿透電流、位移電流、峰值電流和相鄰結(jié)構(gòu)漏電流對測試結(jié)果的影響，采用寬條金屬和多晶連接線、多個并行連接孔和通孔等措施。

綜上所述，影響測試結(jié)構(gòu)的因素涉及設(shè)計、材料與工藝、測試條件與誤差控制等多個方面。為確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，在設(shè)計測試結(jié)構(gòu)時應(yīng)充分考慮這些因素，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行優(yōu)化和控制。