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IC工艺技术13-集成电路可靠性(PPT79页)

• Unreliability F(t)=r/n n 总样品数 r 失效数
• Reliability R(t)=(n-r)/n • Failure Density f(t)=f(t,t+t)=r/n • Failure Rate (t)=(t,t+t)=r/(n-r)
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/Ndt
热电子效应
Vs N43;
Isub Vb
热电子效应测试
• NMOS 0.5um 5V design • 测试方法
Vds=6.7V,7.0V, 7.3V Vss and Vbs=0V Vgs set to max Ibs
失效判据: Gm 偏移10% 时所需时间 T0.1 (->time to 0.1 failure) • 作Ibs/Ids-T0.1图 • 根据Berkeley model预测寿命 ttfIds=Cx-m (ttf 是失效0.1%的时间, C是 Ibs/Ids-T0.1图截距,m是斜率)
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.
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.
Nf 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)-0.5]Exp{-1/2[(t-)/ ]2} F(t)= [1/(2)-0.5] t Exp{-0.5[(t)/ ]2}dt
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
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
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
failure mean time to rate (FIT) failure (year)
percent of sets failing per month
10
51
0.16
100
5
1.6
1000
0.5
16
(二)失效规律-浴盆曲线
浴盆曲线
Early
Useful
Wearout
失 效
Life Failure 早期失效期
Qbd=tdbJ(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
%
积 累
90 70

效 50
30
10
Pure Al
Al-4%Cu
J=4E6A/cm2 T=175℃
6 10 100 7
400 1000 MTF (hr)
• Webull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)
器件类型 线性IC
地面 3
应用环境 民用飞机
5.4
数字SSI/MSI
0.97
10
存储器,微处 2.3
14
理器
美国可靠性分析中心(90年代)
汽车 32 11 13
器件失效对系统性能的影响
Data set: 150 to 225 ICs
Life 偶然失效期
耗损失效期


时间
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: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)
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
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
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