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    半導(dǎo)體器件和普通電子設(shè)備一樣，其故障區(qū)域可分為早期故障、偶然故障和耗損故障這三種類型，故障率隨時(shí)間的變化曲線被稱為浴盆曲線。

 

 

    這條曲線包含隨時(shí)間單調(diào)遞減的早期故障率、保持恒定值的偶然故障率以及隨時(shí)間單調(diào)遞增的耗損故障率。然而，對(duì)于半導(dǎo)體器件來(lái)說(shuō)，在偶然故障期只能觀測(cè)到發(fā)生率極低的軟錯(cuò)誤之類的現(xiàn)象，偶然故障區(qū)的故障率（浴盆曲線底部的高度）應(yīng)表示早期故障率穩(wěn)定之后出現(xiàn)的剩余故障。

 

下面分別對(duì)著三個(gè)階段進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明

 

一）早期故障

    早期故障期的故障率被稱為EFR（早期故障率），且該故障率往往會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低。半導(dǎo)體器件的許多早期故障主要是晶圓制造過(guò)程中產(chǎn)生于器件內(nèi)部的缺陷所導(dǎo)致的。這些缺陷最常見(jiàn)的原因包括：在晶圓制造過(guò)程中附著在晶圓上的灰塵，以及柵氧化膜或硅襯底的晶體缺陷等。       

 

    大多數(shù)含有制造過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷的器件，在制造過(guò)程中就會(huì)被記錄下來(lái)，然后在最終的篩選工序中作為次品被剔除。然而，一些具有相對(duì)輕微缺陷的器件可能會(huì)作為合格產(chǎn)品出貨，因?yàn)樵谶M(jìn)行最終測(cè)量時(shí)，它們表現(xiàn)出與合格產(chǎn)品相似的電學(xué)特性。由于這些存在細(xì)微缺陷的器件會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障，所以當(dāng)對(duì)其施加高應(yīng)力（如電壓和溫度）時(shí)，就能夠?qū)⑺鼈兲蕹?。為剔除具有固有初始缺陷的脆弱器件而進(jìn)行的篩選，在晶圓狀態(tài)下被稱為“晶圓級(jí)老化（wafer level burn-in）”，在封裝狀態(tài)下被稱為“老化（burn-in）”。

 

    在最新的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，隨著防止缺陷污染的技術(shù)的發(fā)展和在線缺陷檢測(cè)的精度的提高，同時(shí)，自動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)（模擬）的進(jìn)步也提高了對(duì)缺陷的魯棒性，這使得從開發(fā)階段就能夠獲得對(duì)各種變化具有高可靠性的高質(zhì)量產(chǎn)品。因此，就早期故障的篩選而言，在晶圓狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試在很多情況下就能確保足夠高的質(zhì)量。

 

     為什么需要老化：以下將闡述作為早期故障篩選方法的老化（Burn-in）的概況：

 

（1）早期故障期故障分布函數(shù)的推導(dǎo)

 

    為了確定老化條件，從而可靠地剔除存在早期（初始）缺陷的器件，就必須得到早期故障期的故障分布函數(shù)。要獲取該函數(shù)，需使用大量包含初始缺陷的樣品（通常為數(shù)千到一萬(wàn)個(gè)樣品）在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高加速壽命試驗(yàn)。隨后，將得到的故障時(shí)間數(shù)據(jù)繪制在威布爾概率紙上，并根據(jù)所得的回歸線來(lái)估計(jì)故障分布函數(shù)。下圖展示了這一過(guò)程的示例。從回歸線中能夠得到確定以下表達(dá)式中威布爾分布的形狀參數(shù)m和特征壽命η。

 

（2）確定老化條件

    通過(guò)使用從老化研究中獲取的故障分布函數(shù)F(t)，能夠確定將出貨后的早期故障率降低至目標(biāo)值所需的篩選（老化）條件。

    當(dāng)把老化時(shí)間設(shè)定為t0，并將老化條件與市場(chǎng)環(huán)境之間的加速系數(shù)設(shè)定為AF時(shí)，能夠通過(guò)老化消除的累積早期故障概率為F(AF·t0)。在進(jìn)行老化之后，到時(shí)間t時(shí)的新累積早期故障概率F(t)可通過(guò)以下表達(dá)式獲得。

    老化條件是根據(jù)加速條件和時(shí)間的組合來(lái)選定的，該組合會(huì)將（某個(gè)數(shù)值）降低到目標(biāo)早期故障率或者更低的水平。通常，在工藝開發(fā)的初始階段，導(dǎo)致早期故障發(fā)生的初始缺陷頻率最高，隨著工藝的改進(jìn)和工藝掌握水平的提高，該頻率會(huì)逐漸降低。由于早期故障率與這些初始缺陷的頻率成比例下降，所以必須根據(jù)工藝改進(jìn)的情況對(duì)老化時(shí)間進(jìn)行重新評(píng)估。這種關(guān)系可用下圖來(lái)表示。

 

 

二）偶然故障

 

    當(dāng)包含早期故障的設(shè)備在一定程度上被排除后，從早期故障期到耐用使用壽命結(jié)束的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都不會(huì)出現(xiàn)故障，這一時(shí)期便是設(shè)備的穩(wěn)定期。在此期間，故障分布接近指數(shù)分布，所以該時(shí)期被稱為偶然故障期。

 

    半導(dǎo)體器件在偶然故障期的故障率與剛出貨后的早期故障率相比極低，即便在大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品中也很難被觀測(cè)到。從半導(dǎo)體器件故障機(jī)制的角度來(lái)看，任何故障都難以被明確界定為偶然故障，而且依據(jù)使用環(huán)境產(chǎn)生的高能粒子（如輻射）所導(dǎo)致的存儲(chǔ)器軟錯(cuò)誤等現(xiàn)象有時(shí)也被歸為偶然發(fā)生的故障機(jī)制。

 

    在預(yù)測(cè)半導(dǎo)體器件故障率時(shí)，有時(shí)會(huì)將器件開始運(yùn)行一段時(shí)間后偶爾發(fā)生且原因無(wú)法確定的故障視為偶然故障。不過(guò)，大多數(shù)這類故障被認(rèn)為是由初始缺陷（如灰塵和晶體缺陷）相對(duì)不明顯的器件長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后發(fā)生故障所導(dǎo)致的，它們?cè)緫?yīng)處于早期故障率衰減曲線上。在某些情況下，會(huì)將指數(shù)分布作為假設(shè)來(lái)估算平均故障率。雖然無(wú)法通過(guò)少量樣本（如可靠性測(cè)試樣本）的測(cè)試結(jié)果嚴(yán)格估算該故障率，但它被視作比實(shí)際值大的估算值（一種參考），并以“失效時(shí)間內(nèi)的故障數(shù)（FIT）”為單位。

 

    此外，根據(jù)使用條件，在偶然故障期還會(huì)出現(xiàn)靜電擊穿、過(guò)電壓（浪涌）擊穿（EOS）和閂鎖等現(xiàn)象。由于這些現(xiàn)象均受外部因素影響，例如對(duì)器件施加超過(guò)其絕對(duì)最大額定值的過(guò)度應(yīng)力，所以它們被歸為擊穿而非故障，不包含在偶然故障范圍內(nèi)。

 

三）耗損故障（又稱磨損失效）

 

    半導(dǎo)體器件的耗損故障源于其組成材料的耐久性，或者晶體管、布線、氧化膜等元件，這些是判定器件壽命的指標(biāo)。在耗損故障階段，故障率隨時(shí)間的推移而升高，直至所有器件最終都出現(xiàn)故障或者性能缺陷。

 

半導(dǎo)體器件主要的耗損故障機(jī)制如下：

 

電遷移（EM）。

 

熱載流子引發(fā)的特性波動(dòng)（HCI）。

 

特性的偏置溫度不穩(wěn)定性（BTI）。

 

與時(shí)間相關(guān)的介質(zhì)擊穿（TDDB）。

 

激光二極管亮度退化。

 

    基本上，半導(dǎo)體器件的可靠性需要利用針對(duì)器件各組件的測(cè)試元件組（TEG）來(lái)開發(fā)和驗(yàn)證。將經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的大量數(shù)據(jù)反映到設(shè)計(jì)工具中，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以達(dá)到可靠性目標(biāo)。通過(guò)設(shè)計(jì)工具檢查產(chǎn)品是否被不合理使用以及是否偏離設(shè)計(jì)規(guī)則，從而防止在實(shí)際使用環(huán)境下發(fā)生耗損故障，確保長(zhǎng)期可靠性。所以，在半導(dǎo)體產(chǎn)品開發(fā)階段作為驗(yàn)證手段的可靠性測(cè)試中，耗損故障很少發(fā)生。

 

可靠性驗(yàn)證的基本概念

 

一）開發(fā)階段的半導(dǎo)體可靠性驗(yàn)證

 

    半導(dǎo)體器件因耗損失效（即實(shí)際失效）而產(chǎn)生的失效周期，也就是器件的壽命，由器件失效機(jī)制決定。

 

    在工藝開發(fā)階段，利用適用于驗(yàn)證這些失效機(jī)制的測(cè)試元件組（TEG）對(duì)可靠性進(jìn)行評(píng)估，以檢驗(yàn)是否滿足規(guī)定的可靠性要求。

 

二）原型制作階段的可靠性驗(yàn)證

 

（1）耗損失效（實(shí)際失效）的可靠性驗(yàn)證使用少量原型進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間評(píng)估，以驗(yàn)證在假定的使用周期內(nèi)、假定的操作環(huán)境下不會(huì)發(fā)生耗損失效。

 

（2）早期失效（非實(shí)際失效）的可靠性驗(yàn)證半導(dǎo)體器件的失效率在運(yùn)行初期往往較高，之后隨時(shí)間推移趨于單調(diào)下降。

 

    這是因?yàn)橛幸欢ū壤陌雽?dǎo)體器件存在制造缺陷，例如灰塵導(dǎo)致故障等情況。由于這種情況在新工藝中更為明顯，所以在引入相應(yīng)生產(chǎn)工藝時(shí)，會(huì)進(jìn)行老化研究來(lái)驗(yàn)證早期失效率。

 

    當(dāng)未達(dá)到規(guī)定的失效率時(shí)，就會(huì)采用老化（預(yù)燒）等篩選方法來(lái)去除有制造缺陷的半導(dǎo)體器件。

 

 

三）大規(guī)模生產(chǎn)階段的可靠性驗(yàn)證

 

    定期對(duì)批量生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行抽樣，在與上述（1）相同的產(chǎn)品層面評(píng)估其可靠性，以檢查在大規(guī)模生產(chǎn)之后是否仍然能夠持續(xù)保持開發(fā)階段所達(dá)到的耗損失效可靠性水平。下表展示了大規(guī)模集成電路（LSI）產(chǎn)品典型的可靠性測(cè)試項(xiàng)目。

 

 

 

四）開發(fā)與設(shè)計(jì)階段的可靠性

 

    半導(dǎo)體器件存在半導(dǎo)體特有的失效機(jī)制，在工藝開發(fā)階段解決這些問(wèn)題是確?？煽啃缘年P(guān)鍵要素。在每個(gè)工藝要素的開發(fā)階段對(duì)所需可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，并將結(jié)果反映到設(shè)計(jì)規(guī)則中，就能穩(wěn)定地保障產(chǎn)品可靠性。

 

    下表展示了工藝開發(fā)和設(shè)計(jì)階段可能出現(xiàn)問(wèn)題的典型半導(dǎo)體器件失效機(jī)制。隨著工藝日益小型化，施加于晶體管和線路（如內(nèi)部電場(chǎng)、電流密度和線路應(yīng)力）的應(yīng)力會(huì)增大。此外，更高的電路速度和增加的寄生阻抗（線路電阻、寄生電容）會(huì)使操作裕度降低，這就導(dǎo)致在確保晶體管特性波動(dòng)的可靠性方面出現(xiàn)重大問(wèn)題。