集成電路的工作原理及其可靠性

門　月

[摘要]通過分析集成電路失效類型與諸影響因素的關系，對集成電路可靠性進行理論的探討，從而提高我國集成電路的競爭力，開創我國集成電路發展新局面。

[關鍵詞]集成電路 可靠性 集成電路產業

中圖分類號：TN4文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0220033－01

一、集成電路工作原理及影響集成電路可靠性的主要因素

集成電路（Integrated Circuit，通常簡稱IC），又稱為集成電路。是指將很多微電子器件集成在芯片上的一種高級微電子器件。通常使用硅為基礎材料，在上面通過擴散或滲透技術形成N型和P型半導體及P-N結。在硅板上集合多種電子元器件實現某種特定功能的電路模塊。它是電子設備中最重要的部分，承擔著運算和存儲的功能。集成電路是20世紀重要的發明之一。集成電路是半導體集成電路，即以半導體材料為基片，將至少有一個是有源元件的兩個以上元件和部分或者全部互連線路集成在基片之中或者基片之上，以執行某種電子功能的中間產品或者最終產品；主要是靠半導體的電子和空穴的導電能力來導電，在半導體內部形成電流，最后通過引線及引腳將電流信號輸入/輸出，實現器件和系統的基本功能。

集成電路的種類一般是以內含晶體管等電子組件的數量來分類：SSI（小型集成電路），晶體管數10～100；MSI（中型集成電路），晶體管數100～1,000；LSI（大規模集成電路），晶體管數1,000～10,000；VLSI（超大規模集成電路），晶體管數100,000～1000,000；ULSI（甚大規模集成電路）1000萬以上。按用途分有很多種，如音頻集成電路，音樂集成電路，運放集成電路，解碼集成電路，電視小信號集成電路，微處理器集成電路。

半導體集成電路門類繁多，其原理、設計和工藝技術既有共同之處又各具特點。電路的失效不僅與生產條件和水平有關，還取決于使用中施加的電應力和所處的環境。大量的數據統計表明，集成電路的失效可分為兩類：（1）第Ⅰ類：內部失效包括使用中過電應力引起的失效和芯片材料缺陷以及工藝缺陷引起的失效。（2）第Ⅱ類：外部失效包括封裝失效和內、外引線失效。隨著芯片工藝技術的成熟，生產線控制能力的增強，第Ⅰ類失效會越來越少。另一方面，集成電路的應用范圍越來越廣闊，越來越復雜，對器件封裝技術的要求越來越高。因而，總的趨勢是芯片內部失效減少了，而外部結構失效顯得突出。

二、可靠性分析

1．集成電路常見失效模式分析及控制方法。1.集成電路常見物理失效模型介紹集成電路常見的失效物理模型有ESD靜電放電模型和LATCH-UP損傷模型。在實際工作中ESD失效模型又可分為：HBM(hnman-body model)人體放電模型、MM(Machine Model)機器放電模型、CDM(Charged-Device Model)充電兒件模型等。在實際工作中，從最終客戶端統計數據發現ESD損傷和LATCH-UP損傷占整個IC（DDR SDRAM人規模集成電路）失效的80%以上。從IC制造商角度出發，為客戶提供合格等級的IC產品是保證市場信譽的關鍵所在，從使用方法來講，應該把IC供應商ESD等級和IC抗閂鎖(LATCH-UP)能力，作為評價IC可靠性水平的重要指標，有效的納入元器件優選方案中去。

2．可靠性技術對集成電路產業的發展起著非常重要的作用。在實際工程中，不論是IC制造商還是IC使用方，常常會通過對IC可靠性指標的評估，來決策IC批產品的可靠性水平等級。其中作為IC設計制造商來說，在IC產品設計定性、小批量試產、批量生產階段提前在試驗室對產品進行可靠性指標評估，對下一個環節的決策提供重要的數據支持。對IC使用方來說，通過抽樣的方法在實驗室對IC進行可靠性水平預估，來決策批產品的使用與否，也提供了重要的決策信息。

3．可測試性度量。對于靜電敏感的電子元器件，其內部雖然已進行防靜電設計，但是其防護能力是有限的。所以在器件使用時應采取相應的措施，防止_靜電損傷。一般性原則是：避免靜電源的產生，消除靜電，設法加速靜電荷泄漏，防止靜電荷積累。

對于故障電路和正常電路電流的差別，我們需要制訂某個標準進行度量。一個可行的可測試性度量標準為：

其中，和分別表示電路加入向量(V0,V1)后正常和故障兩種情況下電路的邏輯加權上跳變總數，而和分別表示電路加入向量(V0,V1)后正常和故障兩種情況下電路的邏輯加權上跳變總數。當△值越大，正常電路和故障電路的差別越大。本文使用由貝葉斯優化算法搜索得到的使得正常電路與故障電路差別最大的測試向量序列(V0,V1,V0)作為測試生成的結果，當△>5時，我們認為該故障可以用(V0,V1,V0)測試出來。全速電流測試尚處于研究階段，在已有基礎上對對象進行了可行性分析與驗證，實驗結果表明全速電流測試對固定型故障是一種較為有效的測試方法。

產品的發展除了高性能以外還要有高質量與高可靠性，當器件的尺寸持續縮小時，器件的可靠性顯得越來越重要。因此對于引起器件失效的機制需要進行深入的研究并發展出正確且適當的加速測試方法去預測壽命值。可靠性評價試驗可以采用圓片級與封裝級兩種形式，是現代VLSI工藝線可靠性保證的重要環節，主要的應用在以下三個方面：（1）主要失效機理的可靠性評價。（2）可靠性模型測試提取。（3）工藝可靠性監測。

三、我國集成電路產業未來發展

中國集成電路產業要形成以設計業為龍頭，制造業為核心，設備制造和配套產業為基礎的較為完整的集成電路產業鏈，“必須拋棄不現實的速勝論幻想，要樹立自主創新的信心和勇氣。只有這樣，我們才能在相對較短的時間內縮小與發達國家的距離。與此同時，要加快制定和真正落實國家有關進一步鼓勵軟件和集成電路產業發展的相關優惠政策，讓企業享受到這些政策的實惠。”

目前，中國IC產業已有了一定規模和發展基礎。但從總體發展狀況來說，產業仍比較弱小。需要繼續發展對外合作，而且資金、技術、人才、市場，都要按照國際化的特點考慮。特別是技術引進和項目建設中，要重點部署引進技術的消化吸收和再創新。同時，各個地區要根據國家統一規劃，結合本地區優勢，結合各地國家電子信息產業園區和集成電路基地的建設，在產業鏈中尋找出自己的位置，避免低水平重復建設。只有這樣，才有利于開創我國集成電路產業發展的新局面。

參考文獻：

[1]俞忠枉，充滿生機的中國集成電路產業與市場[J].信息技術與標準化，2005(4):7-8.

[2]張惠泉、趙建忠、嚴曉浪，我國半導體產業現狀及對新一輪發展的思考[J].中國集成電路，2005(5):6-21.