电路基础及评价 4

集成电路可靠性设计与评价第九章9.2节集成电路可靠性评价9.2、集成电路主要失效机理的可靠性评价9.2.3、金属互连线的电迁移9.2.4、PMOSFET负偏置温度不稳定性9.2.5、单粒子效应9.2.6、电离总剂量效应9.2.1、热载流子注入效应9.2.2、与时间有关的栅介质击穿热载流子注入效应(HCI)载流子(如电子)在向界面障碍移动过程中获得能量，使其有足够的能量越过该障碍，导致逻辑高低电平间的状态差异减弱，最终造成MOSFET开关特性退化。常使用“幸运电子模型”（LuckyElectronModel）对因热载流子注入导致的元器件故障率进行建模：其中，𝐴𝐻𝐶𝐼为与属性相关的系数；Isub为峰值基片电流（对于NMOS，为峰值栅电流）；W为MOSFET通道宽度；m取值在2至4之间；EaHCI为活化能，范围在-0.1eV至-0.2eV之间。

测试设定测试参数：主要参数为饱和区漏极电流(IDsat)，该参数变化用于评估器件在应力条件下的可靠性。31试验结构：使用满足设计规则要求的最小特征长度器件，确保符合实际应用条件。2测试方法：应力温度：25-30℃，结温波动≤±2℃；

漏源应力电压：≥3个不同电压；

栅源应力电压：最坏条件；读数：对数时间坐标，每进位≥3点。关键指标：

样品量：每个应力条件≥10只；寿命分布：对数正态分布；失效判据：IDsat退化≥10%；数值计算：0.1%累积失效率寿命@25℃,1.1倍额定电压。4试验流程漏极应力电压选择：测量输出特性曲线，最大漏极电压≤90%击穿电压31栅极应力电压选择：选择最大衬底电流附近或VGS=VDS、VGS=VDS/2处2初始特性测试：记录Gm(max)、Vth、ID(lin)、ID(sat)等初始参数应力测试应力时间以10倍增长：10,30,100,300,1000,3000...秒45数据处理：计算gm(max)和IDS(sat)的百分比变化，用最小二乘法拟合HCI效应试验流程图注意事项器件选择：确保器件符合试验要求，避免使用已有损伤的器件31应力电压：避免超过器件耐压极限，电压精度要高2环境控制：温度湿度稳定，避免高湿度或强电磁干扰时间控制：按计划施加应力，定期中间测试45终止条件：设定明确终止条件，避免器件过度劣化6数据分析：与初始特性对比，注意数据一致性和完整性与时间有关的栅介质击穿(TDDB)当足够多的电荷注入到氧化层时，氧化层会发生击穿。TDDB是指施加在介质上的电场低于本征击穿场强，但经历一段时间后仍发生击穿的现象，这是由于界面处产生并积聚了缺陷。对于超薄栅氧化物击穿，应使用以下公式针对TDDB对故障率的贡献进行建模：

测试设定样品准备：记录工作电压下初始电流、应力开始时初始电流、失效时间31测试判据：栅氧厚度>4nm:电流增加2-10倍；栅氧层<4nm:准击穿(软击穿)2测试结构：大面积NMOS电容，面积<0.1mm²，支持积累和反型模式测量测试方法：

恒定电压应力，电压>最高工作电压；3组电压，温度范围25-200℃；≥63%测试结构失效终止4试验流程漏电流测量：在工作压力下(高温高电压)进行初始漏电流测量1初始失效判定：检查初始漏电流是否超过预设阈值，超过则判定初始失效2施加应力：设定时间变量t=0，在高温高电压下施加应力加速老化间隔测量与失效判定：每隔Δt测量漏电流，超过失效标准则记录失效时间t4试验终止：检查是否超过最大测试时间，未超过则更新t=t+Δt继续测试35TDDB效应试验流程图模型参数提取激活能Ea提取：恒定电场下，选择3个不同温度点；测量栅氧化层寿命；对数正态坐标提取中位失效时间τ11、τ21、τ31；

半对数坐标绘制τ与1/T关系；拟合曲线斜率即为Ea。1电场加速因子γ提取：恒定温度下，选取3个不同电场强度；测量栅氧化层寿命；

对数正态坐标提取中位寿命；半对数坐标绘制τ与Eox关系；拟合曲线斜率即为γ。2栅氧化层TDDB击穿时间与电场的关系金属互连线的电迁移（EM）电迁移是指置于电场中的导体体内的离子发生定向移动而产生的质量输运现象。浪涌电流引起的自热效应会使阳极顶层金属铝融化，使得阳极与芯片之间短路，同时，金属铝还会影响耗尽层横向扩展，导致顶部过早击穿，金属铝电迁移通过断开引线键合或边缘中断导致器件失效。直流电迁移试验的寿命计算一般采用Black方程来描述：式中，Ea是激活能；n是电流密度因子；T是温度；J是电流密度；k是玻尔兹曼常数。

EM

试验要求试验目的：在高温、高电流密度条件下加速电迁移失效，评价金属互连线、通孔及接触孔的寿命可靠性试验模型与对象：采用

Black

方程描述寿命；测试结构应包含金属互连线、通孔和接触孔等关键薄弱部位试验条件：片级或封装级恒温试验，温度

200℃–420℃；通过变温、变电流密度提取

Ea与

n等判据：

电阻相对初始值增加20%

视为失效要求：

每个条件至少

3

批样品、15

个测试结构；失效率尽量达到

50%

以上；最终给出

Ea​、n、T0.1@125℃

及失效分析结果EM

试验方法参数设置：采用恒温恒流加速试验失效判据：以测试结构的电阻变化作为判定依据，一般规定电阻相对初始值增加20%

即判为失效关键参数提取：在不同温度下测试中位寿命，提取激活能

Ea，在不同电流密度下测试寿命，提取电流密度因子

n数据处理：利用温度加速模型和电流加速模型；将加速条件下寿命外推到实际工作条件寿命试验流程图PMOSFET负偏置温度不稳定性（NBTI）负偏置温度不稳定性（NBTI）是一种主要影响P型金属氧化物半导体场效应晶体管（PMOSFET）的故障机制，在高温下栅极处于负电压偏置状态时尤为显著。热激活的空穴在二氧化硅与衬底之间的界面处被捕获，获得足够的能量以影响漏极区域。直流电迁移试验的寿命计算一般采用Black方程来描述：式中，ANBTI为材料常数；Vgs为栅极到源极的电压（V）；E1、E2为活化能（eV）；K为玻尔兹曼常数；T为温度（K）；τ为常数。

NBTI试验要求测试结构：PMOSFET

单管，监测参数为Vth​

漂移应力方式：施加负栅偏置应力；温度稳定在

±2℃

内参数提取：85℃–175℃

提取激活能，125℃

下多组电压应力提取电场加速因子样品数量：

每个条件至少

10

个测试结构失效判据：

ΔVth=100

mV评价目标：

外推

125℃、1.1

V

条件下

0.1%

累计失效率寿命。NBTI

应力设置图NBTI

试验方法预处理：

测量初始参数，建立基线加应力：

80–150℃

高温下施加负栅偏置分时测试：

在多个时间点去应力后测量

Vth

漂移失效判据：

ΔVth=50

mV或跨导退化10%寿命外推：

基于退化数据估算长期工作寿命试验流程图高温负偏压应力→

阈值漂移测量→

失效判定与寿命外推单粒子效应（SEE）单粒子效应SEE是指单个高能粒子（如质子、中子或重离子）穿过半导体器件时，与敏感区域相互作用，通过电离或非电离能量沉积，导致器件产生瞬态或永久性异常的现象。根据其产生的后果，单粒子效应通常分为两大类：软错误、硬错误。SEE试验要求环境条件：

室温

15℃–35℃，湿度

20%–80%。样品要求：

优先选用未做总剂量试验的器件；随机抽样、同封装、独立编号。预处理：

做好防静电；必要时开封并记录芯片尺寸、外观特征；预检合格后方可试验。板级布置：

电路板固定可靠，器件与束流准确对中。系统调试：

连接测试系统并施加偏置，完成功能检查后再进行单粒子效应试验。单粒子效应试验环境核心目标：在规定环境和偏置条件下，评估器件对单粒子效应的敏感性。SEE

试验方案对象明确：

确定器件型号、类别、封装和数量目标明确：

确定考核类型，如

SEU/SEL/SEB条件设计：

选择辐照源与注量监测方法，预估

LET

阈值平台搭建：

完成测试系统、电路板、偏置和工作状态设置实施判定：

确定离子种类、能量和顺序，记录事件并开展结果分析SEE

注意事项环境控制：

保持温度、湿度和电磁环境稳定辐照控制：

合理选择离子种类、能量和

LET

范围，并严格监测注量状态设置：

明确器件偏置、工作模式及失效判据安全防护：

做好人员与设备防护，并准备异常应急措施结果验证：

试后复测、故障诊断，完成数据校准与分析报告电离总剂量效应（TID）总剂量效应TID是空间辐射粒子不断对器件累积辐照剂量使器件退化或失效的现象。电离辐照使器件中产生了电子-空穴对,这些电荷在器件中不断运动,演化以及被捕获,造成器件性能退化。基本机理电离辐射进入器件后，在氧化层中产生大量电子-空穴对一部分电子和空穴迅速复合，另一部分在电场作用下漂移、扩散部分空穴被氧化层陷阱和界面陷阱俘获，形成陷阱电荷陷阱电荷积累会改变器件内部电场分布，进而引起电参数漂移总剂量效应机理TID试验要求样品要求：

样品具有代表性，完成前处理并统一编号。环境要求：

设备提前校准，温湿度等试验条件保持稳定。剂量设置：

合理设置剂量率，采用增量辐照获取剂量响应数据。过程控制：

实时记录电参数变化，并做好安全监控与异常处理。评价目标：

分析参数退化规律，评估器件总剂量可靠性。总剂量效应试验环境核心目标：在受控辐照条件下评估器