1、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成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)/nFailure Density f(t)=f(t,t+t)=r/nFailure Rate(t)=(t,t+t)=r/(n-r)
2、,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/NdtNf 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,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
3、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)-0.5Exp-1/2(t-)/2 F(t)=1/(2)-0.5 t Exp-0.5(t-)/2dtWebull分布F(t)=1-e-(t/)为器件的特征寿命 为形状函数,塑封器件现场统计失效率例(FIT),美国可靠性分析中心（90年代）,器件失效对系统性能的影响,（二）失效规律浴盆曲线,浴盆曲线,EarlyLife Failure早期失效期,UsefulLife偶然失效期,Wearout耗损失效期,时间,失效速率,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
4、：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。,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,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
5、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,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,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
6、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 QbdtdbJ(t)dt,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,10 100 400 1000 MTF(hr),Pure Al,Al-4%Cu,J=4E6A/cm2T=175,积累失效,9
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