半导体集成电路第15章

1、半导体集成电路南京理工大学电光学院第十五章 可靠性与可测性v集成电路的可靠性设计可靠性的定义与度量可靠性效应的分类可靠性实验提高可靠性的措施v集成电路的可测性设计测试向量故障模型可靠性的定义v集成电路的可靠性是指在一定工作条件下，在一定时间内能够完成规定作用的几率。电子信息系统产品的复杂程度不断增长电子系统设备的使用环境日益严酷电子系统的组装密度不断提高失效率v瞬时失效率(t)v(t)=Nt/N(t)tv单位:非特。1非特=0.0001%/1000小时=10e-9/小时可靠性效应的分类v静电效应v热效应v二次击穿效应v闩锁效应v化学效应v辐射效应v界面效应v电迁移效应静电效应静电效应 静电的产

2、生静电的产生 摩擦生电摩擦生电 （EF 不同）不同） 快速接触与分离快速接触与分离 带电量与材料、面带电量与材料、面积、接触速度、环境等有关积、接触速度、环境等有关 感应生电感应生电 电效应电效应 带电量与环境湿度、空气离子浓度等带电量与环境湿度、空气离子浓度等有关有关静电来源静电来源 在微电子器件制造、安装、运输、试验、存储测量和调试在微电子器件制造、安装、运输、试验、存储测量和调试中，会遇到各种绝缘材料，相互或与人体摩擦带电。中，会遇到各种绝缘材料，相互或与人体摩擦带电。 人体和电子设备都可能产生静电电荷积累。在干燥的季人体和电子设备都可能产生静电电荷积累。在干燥的季节节,人身上穿的合成纤

3、维服装及工作鞋、乙烯地板、手套、仪人身上穿的合成纤维服装及工作鞋、乙烯地板、手套、仪器外壳接地不良等都可能形成几百伏甚至上千伏的高压静电。器外壳接地不良等都可能形成几百伏甚至上千伏的高压静电。集成电路在工艺制造、测试、封装、运输过程中集成电路在工艺制造、测试、封装、运输过程中,这这些高压静电会通过电路的管脚泄放些高压静电会通过电路的管脚泄放,其峰值电流可达到其峰值电流可达到10安培安培以上。由于瞬时功率很大以上。由于瞬时功率很大,在静电泄放在静电泄放()过程中可能造成过程中可能造成电路失效。其失效模式主要有电路失效。其失效模式主要有:(1)功率型破坏功率型破坏,即电流脉冲大即电流脉冲大,放电回

4、路串联电阻小放电回路串联电阻小,使使电路产生的电流密度大电路产生的电流密度大,局部温度高局部温度高,使金属连线或使金属连线或结烧毁结烧毁;(2)电压性破坏电压性破坏,与功率型破坏相比与功率型破坏相比,电流脉冲低电流脉冲低,但由于但由于电路保护网络时间响应差电路保护网络时间响应差,瞬时电压足以使介质击穿和瞬时电压足以使介质击穿和结击穿结击穿. 防静电设计防静电设计 两方面防止两方面防止 设计制造价段设计制造价段 保护结构保护结构 装机使用阶段装机使用阶段 操作规则，布局布线操作规则，布局布线 MOS器件的防静电设计器件的防静电设计 1. 二极管保护网络二极管保护网络 2. 扩散电阻扩散电阻-二极

5、管保护网络二极管保护网络 3. 场效应管保护网络场效应管保护网络双极型器件的防静电设计双极型器件的防静电设计 限流电阻限流电阻 箝位二极管箝位二极管静电保护网络的结构设计静电保护网络的结构设计 实际设计中要求：实际设计中要求： 1. 保护网络中元件的尺寸不能过小；保护网络中元件的尺寸不能过小； 2. 保护网络中的金属互连线应尽可能的宽，并避免直角拐弯保护网络中的金属互连线应尽可能的宽，并避免直角拐弯以避免通过大电流时被烧毁或蒸发。键合引线与芯片表面的夹以避免通过大电流时被烧毁或蒸发。键合引线与芯片表面的夹角角也应尽可能的大。如果电路中设计有金属环路，则环路离键合点也应尽可能的大。如果电路中设计

6、有金属环路，则环路离键合点的距离应尽可能的远，以避免尖端放电或电弧放电产生损伤。多的距离应尽可能的远，以避免尖端放电或电弧放电产生损伤。多层布线的版图设计应尽量避免金属化层经薄氧化层交迭；层布线的版图设计应尽量避免金属化层经薄氧化层交迭； 3. 保护网络中的电阻可采用扩散电阻，也可采用多晶硅电阻保护网络中的电阻可采用扩散电阻，也可采用多晶硅电阻。扩散电阻的抗静电能力优于多晶硅电阻，但多晶硅电阻结构上。扩散电阻的抗静电能力优于多晶硅电阻，但多晶硅电阻结构上没有寄生二极管，故它在没有寄生二极管，故它在CMOS电路中的抗闩锁能力又优于扩散电路中的抗闩锁能力又优于扩散电阻实际设计时应作综合考虑；电阻实

7、际设计时应作综合考虑； 4. 设法提高保护网络的响应速度。设法提高保护网络的响应速度。v静电效应v热效应v二次击穿效应v闩锁效应v化学效应v辐射效应v界面效应v电迁移效应热效应热效应 热量来源热量来源 内内部来源部来源，器件工作，器件工作-能量损能量损耗耗-发热发热-多发生于有源区多发生于有源区（称为结区）（称为结区） PN结（结（Bipolar） 沟道区（沟道区（MOSMOSFET） 接触势垒（肖特基）接触势垒（肖特基） 扩散电阻，薄膜电阻扩散电阻，薄膜电阻 外部来源，环境外部来源，环境T变化，器件间断使用变化，器件间断使用 焊接装配引入焊接装配引入 T急剧变化急剧变化 由热力学第二定律知道

8、由热力学第二定律知道 温度差温度差 - 热量传递方式热量传递方式 辐射辐射对流对流热传导热传导 封装特点决定了，半导体内部热量传递主要是热传导问题，外封装特点决定了，半导体内部热量传递主要是热传导问题，外部是管壳和散热片在空气中的传热问题，对流和辐射。部是管壳和散热片在空气中的传热问题，对流和辐射。热传导热传导 热量从有源区传到管壳过程。热量从有源区传到管壳过程。硅的热导率硅的热导率 1.45（W/cm ）是是 GaAs的的3倍（倍（0.48 ）由热效应引起的失效分两方面：由热效应引起的失效分两方面： 1、 高温引起的失效。高温引起的失效。 2、 温度剧烈变化引起的失效。温度剧烈变化引起的失效

9、。 温度对器件电参数的影响温度对器件电参数的影响 双极型器件电参数的温度特性双极型器件电参数的温度特性 （1 1）共射直流电流放大系）共射直流电流放大系h hFEFE 具有正温度系数具有正温度系数 （2 2）发射结正向压降）发射结正向压降V VBEBE 负温度系数负温度系数 （3 3）晶体管反向电流）晶体管反向电流I ICBOCBO 和和I ICEO CEO 正温度系数正温度系数 （4 4）晶体管饱和压降）晶体管饱和压降V VCESCES 和和V VBESBES V VCESCES 正温度系数正温度系数 V VBESBES 负度系数负度系数 （5 5）pnpn结击穿电压结击穿电压 V VB B

10、 雪崩击穿雪崩击穿 （体内机构决裂定）正温度系数（体内机构决裂定）正温度系数 齐纳击穿齐纳击穿 （表面击穿机构决定）负温度系数（表面击穿机构决定）负温度系数MOSMOS器件电参数的温度特性器件电参数的温度特性 （1 1）热电压）热电压V VT T n n沟沟: : V VT T负温度系数负温度系数 P P沟沟 V VT T 正温度系数正温度系数 注意如果对注意如果对| |V VT T| |说的话，温度系数均为负。说的话，温度系数均为负。 （2 2）跨导）跨导g gm m 非饱和区非饱和区 g gm m 负温度系数负温度系数 饱和区饱和区 由由 和和V VT T温度特性决定温度特性决定N N沟沟

11、 通过通过V VGSGS控制控制P P沟沟 恒负恒负热不匹配效应热不匹配效应 集成电路内部相连材料间热膨胀系数的不匹配产集成电路内部相连材料间热膨胀系数的不匹配产生的热应力生的热应力有可能造成器件的失效现象。有可能造成器件的失效现象。v静电效应v热效应v二次击穿效应v闩锁效应v化学效应v辐射效应v界面效应v电迁移效应 二次击穿二次击穿：当器件被偏置在某一特殊工作点时，当器件被偏置在某一特殊工作点时，电压突然降落，电流突然电压突然降落，电流突然上升上升，出现负阻的物理现象叫二次击穿。，出现负阻的物理现象叫二次击穿。(不是第二次击穿不是第二次击穿)产生二次击穿的原因主要是管内结面不均匀、晶格缺陷等

12、。产生二次击穿的原因主要是管内结面不均匀、晶格缺陷等。发生二次击穿的过程是：结面某些薄弱点上电流密度增大，引发生二次击穿的过程是：结面某些薄弱点上电流密度增大，引起这些局部点的温度升高，从而使局部点上起这些局部点的温度升高，从而使局部点上 电流密度更大，温电流密度更大，温度更高度更高，如此反复作用，最后导致过热点的晶体熔化，相，如此反复作用，最后导致过热点的晶体熔化，相应在集射极间形成低阻通道，导致应在集射极间形成低阻通道，导致CE下降，下降，iC剧增，结果功剧增，结果功率管尚未发烫就率管尚未发烫就 已损坏。已损坏。二次击穿是破坏性的热击穿，为不可逆过程，有过量电流流过二次击穿是破坏性的热击穿

13、，为不可逆过程，有过量电流流过PN结，温度很高，使结，温度很高，使PN结烧毁。结烧毁。(雪崩击穿是一次击穿雪崩击穿是一次击穿 )二次击穿二次击穿(BJT)发射结反偏发射结反偏(R)发射结正偏发射结正偏(F)基极开路基极开路(O)v静电效应v热效应v二次击穿效应v闩锁效应v化学效应v辐射效应v界面效应v电迁移效应闩锁效应：闩锁效应：是指在芯片的电源和地之间存在一个低阻抗是指在芯片的电源和地之间存在一个低阻抗寄生的寄生的BJT管通路，由于存在正反馈，所以管通路，由于存在正反馈，所以产生很大的电流，导致电路无法正常工作，产生很大的电流，导致电路无法正常工作，甚至烧毁电路的现象。甚至烧毁电路的现象。v

14、静电效应v热效应v二次击穿效应v闩锁效应v化学效应v辐射效应v界面效应v电迁移效应化学效应化学效应 微电子器件在储存、保管和使用过程中，会遇到微电子器件在储存、保管和使用过程中，会遇到高温潮湿高温潮湿、酸雨酸雨和和盐雾环境盐雾环境条件；在这种条件下，器件有可能因条件；在这种条件下，器件有可能因电化电化学反应学反应遭到腐蚀而失效。遭到腐蚀而失效。微电子器件外引线的腐蚀微电子器件外引线的腐蚀 柯伐合金柯伐合金热膨胀系数与陶瓷和玻璃接近能形成良好的热膨胀系数与陶瓷和玻璃接近能形成良好的热匹配。广泛用作管腿引线。然而，对于腐蚀十分敏感，在热匹配。广泛用作管腿引线。然而，对于腐蚀十分敏感，在潮湿气氛下容

15、易因被腐蚀而断裂。潮湿气氛下容易因被腐蚀而断裂。微电子器件封装的耐湿性微电子器件封装的耐湿性 微电子器件的封装可分为微电子器件的封装可分为气密封装气密封装和和塑料封装塑料封装两类两类 塑料封装成本低廉，易于大规模生产。目前民用电子整塑料封装成本低廉，易于大规模生产。目前民用电子整机所用的各种微电子器件几乎全是塑料封装。机所用的各种微电子器件几乎全是塑料封装。 但是，塑料封装器件的可靠性比气密封装差（约低但是，塑料封装器件的可靠性比气密封装差（约低12个数量级）个数量级）塑封树脂固有吸潮性，水分可由塑料本身渗入管壳内部塑封树脂固有吸潮性，水分可由塑料本身渗入管壳内部外界潮气通过塑封树脂与金属引线

16、框架之间的接合处通过外界潮气通过塑封树脂与金属引线框架之间的接合处通过毛细管作用侵入毛细管作用侵入微电子器件耐湿性的评价方法微电子器件耐湿性的评价方法 近年来随着器件可靠性的提高和寿命的延长，要求进一近年来随着器件可靠性的提高和寿命的延长，要求进一步提高耐湿性试验的加速应力，缩短试验时间。为此，可采步提高耐湿性试验的加速应力，缩短试验时间。为此，可采用高压蒸煮试验用高压蒸煮试验(Pressure Cooker Test，PCT)，以获得更以获得更高的湿度和蒸汽压。通常高的湿度和蒸汽压。通常PCT试验条件为：温度试验条件为：温度120 左右，左右，气压气压2105Pa，以耐蒸煮时间的长短来衡量其

17、可靠性。这种以耐蒸煮时间的长短来衡量其可靠性。这种方法比方法比THB法的试验时间缩短了几十倍。法的试验时间缩短了几十倍。v静电效应v热效应v二次击穿效应v闩锁效应v化学效应v辐射效应v界面效应v电迁移效应 辐射效应辐射效应辐射环境辐射环境核爆炸环境核爆炸环境核动力环境核动力环境高能粒子高能粒子快中子流（快中子流（0.5 MeV）射线（射线（1 MeV）威胁最大威胁最大高能电子流高能电子流射线射线射线射线x 射线射线vSiSiO2界面存在四种氧化层电荷界面存在四种氧化层电荷电离辐射效应电离辐射效应辐射粒子辐射粒子能量能量电子电子脱离原子核脱离原子核能量能量辐射粒子辐射粒子射线的电离效应最显著射线

18、的电离效应最显著.引入表面缺陷引入表面缺陷 氧化层正电荷氧化层正电荷 SiSiO2界面陷阱界面陷阱 氧化层表面可动离子氧化层表面可动离子v静电效应v热效应v二次击穿效应v闩锁效应v化学效应v辐射效应v界面效应v电迁移效应界面效应界面效应半导体器件中有许多固相交界面，即界面。半导体器件中有许多固相交界面，即界面。金属金属-半导体界面半导体界面(例如例如A1-Si)，半导体半导体-绝缘体界面绝缘体界面(例如例如Si-SiO2)，金属绝缘体界面金属绝缘体界面(例如例如A1-SiO2，A1-多晶硅等多晶硅等)，金属间界面金属间界面(例如例如A1-Au，Pt-Ti-W-Pt-Au等等)硅化物界面硅化物界

19、面(例如例如A1-PtSi，A1-TiSi2，A1-MoSi2等等)绝缘体绝缘体绝缘体界面绝缘体界面(例如例如Al2O3 -SiO2 ，Si3N4 -SiO2等等)，一一 硅硅 - 二氧化硅界面二氧化硅界面vSiSiO2界面存在四种氧化层电荷界面存在四种氧化层电荷 可动离子电荷可动离子电荷Qm， a.锂、钾、氢、钠（最多）正离子锂、钾、氢、钠（最多）正离子 b.Na+能在能在SiO2横向及纵向移动，从而调制了器件有关表横向及纵向移动，从而调制了器件有关表面的表面势，引起器件参数的不稳定，以致失效四种氧化层电面的表面势，引起器件参数的不稳定，以致失效四种氧化层电荷中，尤以可动离子电荷对器件可靠性

20、影响最甚。荷中，尤以可动离子电荷对器件可靠性影响最甚。 美国兰斯多尔工厂在美国兰斯多尔工厂在1972年对年对5295个电路统计表明，在个电路统计表明，在MOS器件失效机理分布中，因器件失效机理分布中，因Si-SiO2界面离子迁移而失效的占界面离子迁移而失效的占64%。1978年有人对年有人对VMOS器件失效机理的分析发现离子迁移占器件失效机理的分析发现离子迁移占75，在在HMOS中占中占67二二 铝铝 - 二氧化硅界面二氧化硅界面 由于由于Al对对SiO2的大面积侵蚀，通过的大面积侵蚀，通过SiO2针孔的侵入，针孔的侵入， 有有可能可能SiO2薄膜击穿，这种失效机理可能会引起器件各种各样的薄膜

21、击穿，这种失效机理可能会引起器件各种各样的失效模式。例如失效模式。例如MOS器件的栅击穿，各种存贮阵列的单元失效，器件的栅击穿，各种存贮阵列的单元失效，地址缓冲寄存器输入端的短路，动态存贮器中地址缓冲寄存器输入端的短路，动态存贮器中“保持时间保持时间”的的失效、失效、MOS晶体管输入阻抗降低甚至彻底失效等等。晶体管输入阻抗降低甚至彻底失效等等。AlSiO2针孔针孔硅硅三、抗界面效应的主要措施三、抗界面效应的主要措施 改善栅氧化层质量，降低可移动离子、固定电荷、陷阱和改善栅氧化层质量，降低可移动离子、固定电荷、陷阱和界面能级密度界面能级密度。v静电效应v热效应v二次击穿效应v闩锁效应v化学效应v

22、辐射效应v界面效应v电迁移效应电迁移效应电迁移效应 电流在布线中运动时，由于电子和铝原子的相互碰撞，使电流在布线中运动时，由于电子和铝原子的相互碰撞，使铝原子发生迁移，这即为铝原子发生迁移，这即为电迁移电迁移现象。现象。 电迁移电迁移现象严重时会使金属布线的某些部位产生空洞或晶须现象严重时会使金属布线的某些部位产生空洞或晶须(小丘小丘)。 1、为什么集成电路的电迁移必须重视？、为什么集成电路的电迁移必须重视？ （1）由于金属化电阻及电流密度伴随着器件尺寸的缩小而）由于金属化电阻及电流密度伴随着器件尺寸的缩小而增大，金属化上的焦耳热急剧增加，并且电迁移现象增大，结增大，金属化上的焦耳热急剧增加，

23、并且电迁移现象增大，结果加速了果加速了VLSI中金属化薄膜的电被动失效。中金属化薄膜的电被动失效。 （2）VLSI器件数目爆炸性的剧增，金属化跨越器件数目爆炸性的剧增，金属化跨越SiO2台阶的台阶的数目呈百万级，又加之线条精细，台阶处金属化结构梯度大，数目呈百万级，又加之线条精细，台阶处金属化结构梯度大，电流密度高，应力集中，是一个易发生电徒动失效的薄弱点。电流密度高，应力集中，是一个易发生电徒动失效的薄弱点。2、电迁移、电迁移失效模式失效模式 (1) 短路短路 互连布线间电迁移而产生小丘堆积，引起相邻两条互连布线间电迁移而产生小丘堆积，引起相邻两条互连线短路，这在微波器件或互连线短路，这在微

24、波器件或VLSI中尤为多见。中尤为多见。 (2) 断路断路 在金属化层跨越台阶处或有伤痕处，应力集中，电在金属化层跨越台阶处或有伤痕处，应力集中，电流密度大，可因电迁移而发生断开。流密度大，可因电迁移而发生断开。 3、抗电迁移措施、抗电迁移措施 (1)设计设计 合理进行电路版图设计及热设计。合理进行电路版图设计及热设计。 (2)工艺工艺 减少膜损伤，使台阶处覆盖良好。减少膜损伤，使台阶处覆盖良好。 (3)材料材料 可用硅可用硅(铜铜)-铝合金或难熔金属硅化物代替纯铝。铝合金或难熔金属硅化物代替纯铝。 (4)多层结构多层结构 采用以金为基的多层金属化层形成良好欧姆接触。采用以金为基的多层金属化层

25、形成良好欧姆接触。 (5)覆盖介质膜覆盖介质膜 抑制表面扩散，压强效应和热沉效应的综合影抑制表面扩散，压强效应和热沉效应的综合影 响，延长铝条的中位寿命。响，延长铝条的中位寿命。4、应力迁移、应力迁移 当铝条宽度缩减到当铝条宽度缩减到3 m以下时，经过温度循环或高温处理，以下时，经过温度循环或高温处理，也会发生铝条开路断裂的失效。这时空洞多发生在晶粒边界处，也会发生铝条开路断裂的失效。这时空洞多发生在晶粒边界处，这种开路失效叫应力迁移，以与通电后铝条产生电迁移的失效相这种开路失效叫应力迁移，以与通电后铝条产生电迁移的失效相区别。铝条愈细，应力迁移失效愈严重。区别。铝条愈细，应力迁移失效愈严重。

26、 当铝条上不覆盖钝化层或覆以性能柔软的涂层如有机树脂时，当铝条上不覆盖钝化层或覆以性能柔软的涂层如有机树脂时，铝条未发现有这种应力失效，所以应力的形成主要来源于铝条的铝条未发现有这种应力失效，所以应力的形成主要来源于铝条的上、下两侧各介质膜层的热失配。失效速度与铝条尺寸的关系密上、下两侧各介质膜层的热失配。失效速度与铝条尺寸的关系密切。应力迁移的寿命正比于线宽的切。应力迁移的寿命正比于线宽的2-3次方和厚度的次方和厚度的4-5次方。所次方。所以电路集成度提高时应力迁移特变得严重。以电路集成度提高时应力迁移特变得严重。v集成电路的可靠性设计可靠性的定义与度量可靠性效应的分类可靠性实验提高可靠性的

27、措施v集成电路的可测性设计测试向量故障模型可靠性试验可靠性试验 1. 可靠性试验的目的可靠性试验的目的 在研制阶段使产品达到预定的可靠性指标；在研制阶段使产品达到预定的可靠性指标； 在生产过程中不断监控以提高产品质量；在生产过程中不断监控以提高产品质量； 制订合理的工艺筛选条件；制订合理的工艺筛选条件； 对产品进行可靠性鉴定或验收；对产品进行可靠性鉴定或验收； 研究器件的失效机理。研究器件的失效机理。2. 可靠性试验的基本内容可靠性试验的基本内容 环境试验环境试验振动试验振动试验冲击试验冲击试验离心加速试验离心加速试验温度循环试验温度循环试验热冲击试验热冲击试验潮湿试验潮湿试验引线强度试验引线强度试验可焊性试验可焊性试验密封性试验密封性试验特殊试验特殊试验盐雾试验盐雾试验超高真空试验超高真空试验低气压试验低气压试验核辐射试验核辐射试验使用试验使用试验寿命试验寿命试验贮存寿命试验贮存寿命试验室温贮存寿命试验室温贮存寿命试验低温贮存寿命试验低温贮存寿命试验工作寿命试验工作寿命试验连续工作寿命试验连续工作寿命试验间断工作寿命试验间断工作寿命试验高温工作寿命试验高温工作寿命试验加速试验加速试验环境应力加速试验环境应力加速试验加速寿命试验加速寿命试