半導(dǎo)體集成電路可靠性測(cè)試及其數(shù)據(jù)處理方法

長(zhǎng)電科技（滁州）有限公司 邱冬冬

研究人員在對(duì)產(chǎn)品使用時(shí)間進(jìn)行分析中，產(chǎn)品的可靠性至關(guān)重要，可靠性目前是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量很重要的一個(gè)項(xiàng)目，它能夠明確反映產(chǎn)品質(zhì)量。在運(yùn)用全新工藝和材料的條件下，常見(jiàn)的半導(dǎo)體集成電路線寬逐漸降低，所以科研人員就要提升其集成度，因此半導(dǎo)體集成電路可靠性的要求也更加嚴(yán)格。本文主要對(duì)半導(dǎo)體集成電路的可靠性測(cè)試進(jìn)行了介紹，并分析了處理數(shù)據(jù)的兩種方法，即熱載流子注入測(cè)試和柵氧化層測(cè)試，希望對(duì)半導(dǎo)體集成電路的研發(fā)有所幫助。

隨著科技的進(jìn)步，相關(guān)行業(yè)對(duì)半導(dǎo)體集成電路的性能要求越來(lái)越高，這些要求使半導(dǎo)體集成電路在制作時(shí)工藝制造趨向復(fù)雜化，結(jié)構(gòu)制作也更精細(xì)。為了集成電路的可靠性能經(jīng)得住檢驗(yàn)，同時(shí)減少生產(chǎn)本錢，半導(dǎo)體集成電路可靠性的測(cè)試就顯得很有必要了。

1.半導(dǎo)體集成電路的可靠性測(cè)試

1.1 半導(dǎo)體的可靠性

當(dāng)前，使用被動(dòng)篩選的方式是我國(guó)國(guó)內(nèi)檢驗(yàn)半導(dǎo)體可靠性的重要方法，然而這種方法需要投入大量人力物力，利用原始的人工篩選方式將可靠性不達(dá)標(biāo)的半導(dǎo)體篩選出來(lái)，效率極低。同時(shí)這種方法耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，最重要的是，這種方法無(wú)法從根本上提高半導(dǎo)體的可靠性。因此，當(dāng)前需要知道在什么條件下才能制作出可靠性能高的半導(dǎo)體，從而進(jìn)一步避免半導(dǎo)體使用過(guò)程中發(fā)生失效。這就要求我們綜合考慮制作周期、制作工藝、制作條件對(duì)半導(dǎo)體可靠性能的影響，通過(guò)科學(xué)的數(shù)據(jù)分析對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2 半導(dǎo)體集成電路工藝的可靠性

如果想最大限度的提高半導(dǎo)體集成電路的可靠性，采用的主要方法就是加強(qiáng)對(duì)制造工藝的研究，這個(gè)研究是可靠性提升的關(guān)鍵。在集成電路可靠性的研究中，分析制造工藝能夠在哪些方面影響半導(dǎo)體集成電路可靠性的使用，保證可靠性的工藝進(jìn)行重要的監(jiān)測(cè)與控制，構(gòu)造集成電路產(chǎn)品可靠性的評(píng)價(jià)規(guī)范程序和方法，這些工作都是能夠保障半導(dǎo)體集成電路可靠性的研究，因此，要保證產(chǎn)品實(shí)物的可靠性，就必須要保證生產(chǎn)工藝的可靠性。

在研究評(píng)價(jià)制造工藝的可靠性中，半導(dǎo)體集成電路可靠性對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量以及使用時(shí)間有著重要的影響，集成電路生產(chǎn)工藝的可靠性同樣重要，兩者共同點(diǎn)都是以高標(biāo)準(zhǔn)的制作工藝作為基礎(chǔ)，以此來(lái)保證半導(dǎo)體集成電路成品的可靠性。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，主要方法就是控制產(chǎn)品微電子結(jié)構(gòu)的可靠性，同時(shí)利用電子加速試驗(yàn)得到相關(guān)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)模擬的平臺(tái)，最大程度的保障生產(chǎn)工藝的可靠性。在后續(xù)的工序中，利用我國(guó)目前高標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)流程和工藝生產(chǎn)線，能夠保證生產(chǎn)出的產(chǎn)品擁有極高的質(zhì)量。成品制作完成后，在儲(chǔ)藏運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，再利用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的封存包裝技術(shù)和密封運(yùn)輸，能夠使產(chǎn)品可靠性得到的保障。

1.3 評(píng)價(jià)半導(dǎo)體原件可靠性保持的時(shí)間

半導(dǎo)體在我們?nèi)粘Ｉ钏?jiàn)的電器元件中扮演者不可或缺的角色，半導(dǎo)體的可靠性直接影響了電器元件的可靠性。半導(dǎo)體可靠性越高，電器元件的可靠性才會(huì)越強(qiáng)。因此，為了電器元件更好的使用效果，研究半導(dǎo)體原件的可靠性變得尤為重要。其中在對(duì)半導(dǎo)體元件可靠性測(cè)試中，可靠性評(píng)價(jià)是我們常用的方法。通過(guò)借助專業(yè)的工具，用仿真模擬的方式對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)品質(zhì)量、使用壽命、元件失效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)這些評(píng)價(jià)，我們可以很直觀的測(cè)量出半導(dǎo)體元件的可靠性。在這些評(píng)價(jià)方法中，使用壽命是評(píng)定半導(dǎo)體元件可靠性的重要指標(biāo)。如何評(píng)定半導(dǎo)體元件使用壽命，我們選擇的方法是：選擇高可靠性的集成產(chǎn)品，比如軍用產(chǎn)品，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的參數(shù)進(jìn)行分析，運(yùn)用一般研究產(chǎn)品使用壽命的評(píng)定方法，在實(shí)際操作中通過(guò)對(duì)影響元件使用壽命的外界環(huán)境進(jìn)行控制，查看產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的衰減速度，從而推出算出產(chǎn)品的使用壽命。

2.注入熱載流的測(cè)試數(shù)據(jù)技術(shù)和處理數(shù)據(jù)方法

2.1 注入熱載流子的測(cè)試

在半導(dǎo)體集成電路可靠性的評(píng)估中，最重要的一步就是在半導(dǎo)體生產(chǎn)過(guò)程中，加入熱載流子的測(cè)試，通過(guò)熱載流子的干預(yù)，觀察半導(dǎo)體實(shí)際能量下費(fèi)米能級(jí)的變化。我們都知道，半導(dǎo)體集成電路的器件里，原電壓的遺留會(huì)造成熱載流子的漏電極限，從而在它的周圍會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度很高的電場(chǎng)，一旦載流子進(jìn)入其中，就會(huì)因?yàn)楦吣芰孔兂蔁彷d流子，并且在這時(shí)會(huì)出現(xiàn)新電子空穴對(duì)，兩者反應(yīng)便會(huì)影響集成電路的可靠性。因此，再加入強(qiáng)電場(chǎng)的情況下，電離發(fā)生的速度越來(lái)越快，熱載流子通過(guò)這種方式不斷提升自身的能量等級(jí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后能量趨于穩(wěn)定。使用這種方法，就可以保證熱載流子在反應(yīng)過(guò)程中各個(gè)參數(shù)保持在正常水平。

2.2 數(shù)據(jù)的處理方法

在處理元器件集成電路的熱載流子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，通常有著具體的操作流程。一般情況下，該實(shí)驗(yàn)的變換量電性與時(shí)間成比例，表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系。電性參數(shù)公式計(jì)算公式為：

其中P（0）為參數(shù)原始數(shù)據(jù)；P（t）為 t 時(shí)刻電性參數(shù)發(fā)生的演變量。此外，時(shí)間的間隔要選擇數(shù)字來(lái)表達(dá)此外，時(shí)間的間隔要選擇數(shù)字來(lái)表達(dá)，例如1s、2s、3s。

在對(duì)熱載流子的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試時(shí)，半導(dǎo)體集成電路通過(guò)不同的數(shù)據(jù)處理，能夠得到相對(duì)應(yīng)的測(cè)試參數(shù)。并且在之后熱載流子的試驗(yàn)完成后，處理相關(guān)的數(shù)據(jù)時(shí)，將提前確定的各項(xiàng)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，直到得出的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)計(jì)的參數(shù)相符合。在后續(xù)的熱載流子實(shí)驗(yàn)中，使用不同的樣本測(cè)驗(yàn)的方法也不一樣。通過(guò)這些不同時(shí)間內(nèi)選擇的熱載流子周期和壽命，可以使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更具說(shuō)服力。熱載流子試驗(yàn)中的壽命模型公式：

公式中H代表擬合的線性參數(shù)，IWB代表襯底電流，Id代表漏電流，W 為柵的寬度。

3.測(cè)試柵氧化層的技術(shù)和處理數(shù)據(jù)方法

在半導(dǎo)體集成電路的制作過(guò)程中，柵氧化層有著重要的作用。如果擴(kuò)大了集成電路的規(guī)模，那么集成電路的厚度也隨之提升；如果減小元器件的質(zhì)量，它的厚度也隨之減小。由于柵氧化層有著很重要的作用，因此保障它的可靠性受到科研人員的重視。如果柵氧化層出現(xiàn)可靠性的問(wèn)題，通常這些問(wèn)題會(huì)出在缺陷密度、介質(zhì)擊穿方面。因此，在柵氧化層的測(cè)驗(yàn)中主要采取的措施是：在相同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上要聯(lián)系各因素作為對(duì)象，然后對(duì)其采取擊穿測(cè)試、斜坡電壓的測(cè)試。

3.1 斜坡電壓的測(cè)試

斜坡電壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)就是將高強(qiáng)度的斜坡電壓加到柵極的線性上，之后隨著電壓不斷增高，便會(huì)發(fā)生擊穿現(xiàn)象。斜坡電流實(shí)驗(yàn)與斜坡電壓不同，斜坡電流測(cè)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員會(huì)將一定量的斜坡電流添加到柵極上，隨著電流的增強(qiáng)，養(yǎng)護(hù)層將會(huì)被擊穿。這兩種斜坡實(shí)驗(yàn)，都是研究柵氧化層在存在缺陷的情況下，它的密度是如何變化的。一般情況下，實(shí)驗(yàn)人員會(huì)將一定范圍內(nèi)的電壓加在柵氧化層上，如果氧化層被擊穿，則說(shuō)明加入的電壓超過(guò)了承受電壓，進(jìn)而證明了柵氧化層存在缺陷，是處于一個(gè)無(wú)效的狀態(tài)。這時(shí)實(shí)驗(yàn)人員就可以通過(guò)Poisson分布為前提的成品率公式將這種缺陷計(jì)算出來(lái)，在計(jì)算成品率的公式中Y為成品率，就是有效的產(chǎn)品在總產(chǎn)品中所占的比例；A是被測(cè)驗(yàn)樣品所占的面積；Do是該缺陷存在狀態(tài)下的密度。利用到斜坡電流和斜坡電壓實(shí)驗(yàn)中得出的數(shù)據(jù)，帶入到相應(yīng)的計(jì)算公式中就可以得出成品率，同時(shí)也能夠得出樣品的面積缺陷密度。如果得出的數(shù)據(jù)偏離正常的范圍，則說(shuō)明缺陷密度的設(shè)置不符合設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 介質(zhì)擊穿實(shí)驗(yàn)

介質(zhì)擊穿主要是指集成電路中的介質(zhì)被高電壓作用，使得電極間的電壓迅速下降至零點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)，在柵極上加入理論承受范圍內(nèi)的強(qiáng)場(chǎng)，保證不會(huì)發(fā)生本征擊穿。而在通常情況下，氧化層會(huì)出現(xiàn)缺陷，一段時(shí)間后，仍然會(huì)有擊穿現(xiàn)象發(fā)生。因此，在對(duì)半導(dǎo)體集成電路的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，同樣時(shí)間下柵氧介質(zhì)發(fā)生的擊穿成為了主要因素。

4.結(jié)語(yǔ)

半導(dǎo)體集成電路在實(shí)際應(yīng)用中，可靠性是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，它關(guān)系到電器是否能發(fā)揮應(yīng)有的作用和它工作的可靠性是否能得到保障。因此，還要通過(guò)多方面的實(shí)驗(yàn)，探索更先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理方法，保證半導(dǎo)體集成電路的可靠性。