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半导体器件早期失效筛选方法

摘要：【摘要】为了获得更高的产品质量和可靠性，降低产品早期失效率，老化筛选一直是半导体生产测试的常规流程。但是器件老化非常耗时，而且会带来高昂的成本。论文讨论在何种条件下可以减少和取消器件老化，并提出了既能保证可靠性又能经济地筛选早期失效的有效

　　【摘要】为了获得更高的产品质量和可靠性，降低产品早期失效率，老化筛选一直是半导体生产测试的常规流程。但是器件老化非常耗时，而且会带来高昂的成本。论文讨论在何种条件下可以减少和取消器件老化，并提出了既能保证可靠性又能经济地筛选早期失效的有效方法——高电压应力和IDDQ测试方法。

　　【关键词】早期失效;老化;高电压应力;IDDQ测试

半导体光电

　　1 引言

　　典型的半导体器件产品生命周期的可靠性通常用称为“浴盆曲线”的失效率曲线来表示，失效率随时间变化可以分为三个阶段：早期失效期(Infant Mortality Region)、偶然失效期和耗损失效期。

　　在第一个阶段早期失效期，半导体器件的失效率开始比较高，随着时间的推移快速下降。随后半导体器件进入第二个阶段的偶然失效期，在这个阶段中半导体器件长时间保持很低的、稳定的失效率，这个阶段的失效往往是由于施加了过大应力造成。最后半导体器件进入耗损失效期，在这个阶段失效率开始快速上升，造成失效的原因是产品长期使用所造成的材料和结构老化和疲劳。

　　在目前的产品和工艺中，由于工艺开发过程中采用了晶圆级可靠性或内置可靠性(BIR，Build in Reliability)技术，以及在产品设计过程中使用可靠性相关的设计规则和可靠性建模技术，因此，在使用寿命期间的耗损失效实际上已经不存在了，产品可靠性失效主要由存在潜在缺陷的早期失效所主导[1]。产生这些潜在缺陷的主要原因是在器件加工过程中，由于微小的异物、颗粒，以及制造设备引起的偏差和尺寸偏差等造成。

　　早期失效期一般为半年到一年时间，在这段时间当中器件存在较高的失效率，是影响使用可靠性的重要阶段。

　　2 早期失效的故障模式

　　随着集成电路集成度的不断提高，线宽、线间距越来越小，栅氧化层越来越薄，微小的残留物和颗粒对产品可靠性带来的影响越来越大。同时，芯片面积不断增大，相应芯片上栅氧总面积增大，存在缺陷的概率增加，栅氧化层可靠性问题逐渐成为器件早期失效的主要问题。

　　所以，栅氧化膜泄漏(Leakage)和金属异物引起的功能不良和泄漏不良是早期失效的主要故障模式。

　　3 早期失效的筛选方法

　　早期失效筛选就是要诱发潜在缺陷提早失效，让器件提前进入稳定状态，最终让产品以规定的失效率水平，在规定的使用寿命内工作。

　　常规应用最广泛的筛选方法就是老化，让半导体器件在高温、高电压条件下进行超负荷工作，从而使缺陷在短时间内出现。

　　如图1所示，不经过任何老化筛选措施，器件需要在T2时间后才能从早期失效期过渡到偶然失效期，经过老化筛选后，器件可以提前在T1时间进入失效率较低的偶然失效期[2]。

　　老化过程需要芯片工作，保证逻辑电路原则上达到80%以上的翻转率，通过这一过程筛选临界的、具有潜在缺陷的或者是存在制造偏差的器件。

　　老化筛选按照不同的产品应用要求，一般需要24～168h，某些军用及航空器件甚至需要长达几百小时的老化，因此，老化筛选消耗的时间有时高达整个产品测试时间的80%左右。

　　同时，老化还会带来高昂的硬件成本，由于每个老化板只能容纳有限数量的器件，产品面积越大，容纳数量越少。与此同时，每个老化炉只能放置规定数量的老化板，以144脚封装的产品为例，如果采用24h老化，老化成本占产品总成本的30%左右。

　　因此，从产品尽快上市和控制成本的角度来考虑，老化并不是筛选早期失效产品的经济有效的解决方法。