集成电路可靠性

集成电路可靠性1第1页，共36页，2023年，2月20日，星期四1.名词解释

中位寿命：满足的t0.5称为中位寿命，即寿命比它长和比它短的产品各占一半时的时刻。可靠性定义：可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定的功能的能力。2第2页，共36页，2023年，2月20日，星期四衬底热电子(SHE)效应：热电子来源于衬底电流，在势垒区电场的加速下运动到Si-SiO2界面，其中部分电子的能量可以达到或超过Si-SiO2势垒高度，便注入到栅氧化层中去，被电子陷阱所俘获，相应的调制了硅表面势，引起MOS器件跨导的下降及阈值电压的漂移，这就是热电子损伤。3第3页，共36页，2023年，2月20日，星期四4第4页，共36页，2023年，2月20日，星期四沟道热电子(CHE)效应：热电子来源于表面沟道电流，是从源区向漏区运动的电子，在漏结附近受到势垒区电场加速，电子获得了能量而被加速，成为热电子。这些热电子中能量较高的，可以越过Si-SiO2势垒，注入到SiO2中去，同衬底热电子一样，被陷阱中心所俘获，产生热电子损伤。沟道热电子效应与衬底热电子效应不同，它仅改变了漏结附近SiO2中的电荷分布。5第5页，共36页，2023年，2月20日，星期四6第6页，共36页，2023年，2月20日，星期四浪涌的定义及其数学模型公式：超出正常工作电压的瞬间过电压，本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。7第7页，共36页，2023年，2月20日，星期四应力的定义：指的是在某一瞬间，外界对器件施加的部分或全部影响。例如：温度、湿度、机械力、电流、电压、频率射线强度等，都是应力。从广义上讲，时间也是一种应力。特征寿命：满足的称为特征寿命。8第8页，共36页，2023年，2月20日，星期四集成电路失效分析的基本原则：先调查、了解与失效有关的情况(器件类型、实效现象、应力条件等)，后分析失效器件。先做外部分析，后做内部(解剖)分析。先做非破坏分析，后做破坏分析。9第9页，共36页，2023年，2月20日，星期四画出浴盆曲线，解释其每一段的含义(也可举例说明)，并描述偶然失效期的数学模型：10第10页，共36页，2023年，2月20日，星期四偶然失效期的数学模型：是指数函数，其失效概率密度为：可靠度为：失效率为：11第11页，共36页，2023年，2月20日，星期四f(t)tR(t)tλ(t)t失效概率密度可靠度失效率12第12页，共36页，2023年，2月20日，星期四闩锁效应：是指在芯片的电源和地之间存在一个低阻抗寄生的BJT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，甚至烧毁电路的现象。13第13页，共36页，2023年，2月20日，星期四二次击穿：当器件被偏置在某一特殊工作点时，电压突然降落，电流突然上升，出现负阻的物理现象叫二次击穿。(不是第二次击穿)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PN结，温度很高，使PN结烧毁。(雪崩击穿是一次击穿)14第14页，共36页，2023年，2月20日，星期四二次击穿(BJT)发射结反偏(R)发射结正偏(F)基极开路(O)15第15页，共36页，2023年，2月20日，星期四故障树分析法：在系统设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素等）进行分析，画出逻辑框图（即故障树），从而确定系统故障原因的各种可能组合方式及其发生概率，以计算系统故障概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。16第16页，共36页，2023年，2月20日，星期四2.简答题

可靠性数学模型的定义和种类?及它们之间的区别?从数学上建立可靠性框图与时间、事件和故障率数据的关系；这种模型的“解”就是所预计的产品可靠性。种类：基本可靠性模型和任务可靠性模型区别：17第17页，共36页，2023年，2月20日，星期四基本可靠性模型：基本可靠性模型是用以估计产品及其组成单元发生故障所引起的维修及保障要求的可靠性模型。是全串联模型；储备单元越多，系统的基本可靠性（无故障持续时间和概率）越低。18第18页，共36页，2023年，2月20日，星期四任务可靠性模型用以估计产品在执行任务过程中完成规定功能的概率（在规定任务剖面中完成规定任务功能的能力），描述完成任务过程中产品各单元的预定作用，用以度量工作有效性的一种可靠性模型。系统中储备单元越多，则其任务可靠性越高。19第19页，共36页，2023年，2月20日，星期四软误差的改进措施?提高封装材料的纯度，减少α粒子来源。在芯片表面涂阻挡层，如用聚酸亚胺树脂涂敷芯片，形成对α粒子的屏蔽层。在器件设计方面应考虑防止电子－空穴对在有源区聚集。在电路和系统方面设法采用纠错电路。20第20页，共36页，2023年，2月20日，星期四说明在氧化层中有那四种电荷?固定氧化层电荷、可动离子电荷、界面陷阱电荷、氧化层陷阱电荷。21第21页，共36页，2023年，2月20日，星期四Na+对器件电性能及可靠性的影响?降低了pn结击穿电压，增加了反向漏电流；引起晶体管电流增益hFE的漂移。可靠性设计的基本内容?线路可靠性设计；版图可靠性设计；工艺可靠性设计；封装结构可靠性设计。22第22页，共36页，2023年，2月20日，星期四用钝化法防离子沾污的几种措施?磷硅玻璃（PSG）钝化；Na+在PSG中的溶解度比在SiO2层中高三个数量级；PSG还能固定Na+。氮化硅（Si3N4）钝化；对Na+等杂质有阻挡作用，抗Na+沾污能力极强；介电常数大，可提高MOS器件的跨导、降低阈值电压；抗辐射能力强。三氧化二铝（Al2O3）钝化。23第23页，共36页，2023年，2月20日，星期四降低氧化层电荷的措施?“无钠”

SiO2的生长；采取各种防Na+等其它离子的沾污的措施；以钝化为主对硅材料选用(100)晶向，使固定氧化层电荷及界面陷阱电荷最小；氧化层生长后进行适当高温处理，以降低固定氧化层电荷和界面陷阱电荷；24第24页，共36页，2023年，2月20日，星期四叙述提高抗热载流子效应的几项措施?减小栅结附近的电场；改善栅氧化层质量；在电路和版图设计上采取适当措施。MOS场效应管电离辐射效应的主要表现?阈值电压Vth和平带电压VFB发生漂移；MOS器件的C-V曲线发生变化，产生畸变。25第25页，共36页，2023年，2月20日，星期四提高互连线抗电迁移能力的方法?减小电流密度J；降低薄膜温度T；降低常数C；增加薄膜宽度W和厚度d；增大薄膜中离子扩散的激活能Q。如介质覆盖效应26第26页，共36页，2023年，2月20日，星期四MOS管栅氧击穿的种类及所采取措施?种类：瞬时击穿和经时击穿

(TDDB)控制原材料硅中的C、O2等微量杂质的含量，防止Na+、灰尘微粒等沾污；用CVD生长SiO2或掺氮氧化以改进栅氧质量标准；栅氧易受静电损伤，它的损伤积累的，使用中必须采取防护措施。27第27页，共36页，2023年，2月20日，星期四为避免闩锁效应所采用的的几种措施?增加基区宽度；即增加NMOS与PMOS之间的间距使用可以吸收注入电荷的保护环；防止双极晶体管起作用深槽隔离。28第28页，共36页，2023年，2月20日，星期四3.填空题

潜在失效模式潜在失效后果及表现形式严重度S潜在失效起因与机理频度O探测度DRPN建议采取措施措施结果SODRPN电迁移、静电损伤、闩锁效应??6?45??53??29第29页，共36页，2023年，2月20日，星期四失效部位失效因素失效模式失效机理芯片体内表面钝化层晶体缺陷、表面氧化膜布线间绝缘层耐压退化，偶电流增大，短路，电流增益退化，噪声退化，阈值电压变化二次击穿，可控硅效应，辐射损伤，瞬间功率过载，介质击穿，表面反型，钩到漏电，沾污物，针孔，裂纹，开裂，厚度不均金属化系统芯片布线接点、针孔开路，短路，电阻增大，漏电断路金铝合金，铝电迁移，铝再结构，电过应力，铝腐蚀，沾污，铝划伤，空隙，缺损，台阶断铝，非欧姆接触，接触不良，厚度不均电连接部分引线焊接开路，短路，电阻增大焊点脱落，金属间化合物，焊点移位，焊接损伤引线内引线开路，短路断线，引线松弛，引线碰接键合系统芯片键合，管壳键合断开，短路，工作点不稳定，退化，热阻增大沾污，金属间化合物，键合不良，接触面积不够，脱键，裂纹，破裂封装系统封装、密封、引线镀层、封入气体、混入多余物（有机物、无机物、金属）短路，漏电流增大，断裂，腐蚀断线，焊接性差，瞬时工作不良，绝缘电阻下降密封不良，受潮，沾污，引线生锈，腐蚀，断裂，多余物，表面退化，封入气体不纯输入/输出端静电、过压、浪涌电压短路，开路，熔断，烧毁电击穿，烧毁，栅穿，栅损坏30第30页，共36页，2023年，2月20日，星期四4.计算题

某电子设备的故障分布为指数分布，根据数据分析知，这种设备在500小时的工作时间内有20%故障。试求其平均寿命θ、中位寿命t0.5和t0.9。解：31第31页，共36页，2023年，2月20日，星期四假设在完成一项任务过程中，某产品需要循环动作100次，而且其故障率λcy=5次故障/106循环。求:其可靠度RC＝?

解：32第32页，共36页，2023年，2月20日，星期四故障树定量分析与门：或门：1:底事件发生0:底事件不发生顶事件的故障率?或门与门求出系统的最小割集?33第33页，共36页，2023年，2月2