基于参数退化的集成电路贮存寿命试验评价

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1、基于参数退化的集成电路贮存寿命试验评价阳辉白桦张东哈文慧孙旭朋高旭东集成电路测试技术北京重点实验室100088本项目由北京市财政资金项目“创新工程Ⅱ-3：大规模集成电路可靠性高加速试验方法研究（编号:PXM2014_178102_000001）”支持。【文章】本文介绍了基于参数退化的寿命试验的理论与方法.通过开展SRAM贮存寿命试验,并对试验数据处理与分析,验证了基于参数退化寿命试验方法与程序，试验系统以及试验数据分析方法的有效性。在有限的试验时间内，经过数据分析建立样品敏感参数退化模型，对样品的贮存寿命进行预计。【关键词

2、】贮存寿命；集成电路；参数退化；试验评价0概述国外电子元器件可靠性寿命预计方法的研究始于上个世纪50年代，其主要发展方向一是基于概率统计的时间-失效寿命试验方法，其代表方法有MIL-STD-883方法1005，MIL-HDBK-781A等；另一个发展方向是从元器件的失效机理出发，研究元器件的敏感参数退化过程与寿命的关系。经分析，基于参数退化寿命试验方法与基于概率统计的时间-失效寿命试验方法相比其特点如表1所示。在加速试验实现上，时间-失效寿命试验方法通常基于Arrhenius方程采用提高温度应力进行加速，而在实际试验中，可

3、能存在两个以上的失效机理，并且难以识别出来；基于参数退化寿命试验方法采用提高测量精度和采集频率，可在器件额度工作条件下进行试验，因此适合于多失效机理的情况。美国国家标准技术研究院（NIST）和SEMATECH联合公开发布的《工程统计手册》对于基于参数退化试验数据处理方法。表1基于敏感参数退化方法与时间-失效寿命试验方法比较1试验采用基于参数退化寿命试验方法与程序，对一款国产512k*32bitSRAM开展贮存寿命评价。器件采用68引线CQFP陶瓷一体化外壳，一个电路中有4个芯片，芯片采用0.18μmSRAM工艺，电路规模数

4、为1万门左右，电路尺寸为5.6mm*7.1mm。图2程序流程图030实验研究ExperimentalResearch电子制作SRAM存储单元电路级模拟仿真分析表明，器件主要失效机理为热载流子注入（HCI）、电介质经时击穿（TDDB）和副偏压不稳定性（NBTI）。经分析，在长期贮存期间芯片的主要失效机理为TDDB以及表面反型，TDDB氧化层破坏造成芯片内部绝缘下降，产生异常的传导路径，导致器件漏电流IDDQ增加，触电电阻降低，功耗增加，因此退化敏感参数为待机电流，终点寿命判据为与初始值相比待机电流退化超过20%。试验分别对4

5、只样品的Vcc施加3.6V，3.3V，3V和2V电压，在125℃和100℃下，各进行1000小时试验。试验样品处于待机状态，对样品#CE和#OE使能端口加高电平，地址和#ARGIN:0cm0cm0pt"class=Pa4>试验系统由高稳定温度箱，SRAM测试电路板，直流电源，数字万用表，多路选择开关，测温铂电阻和数据采集计算机组成，试验系统结构框图如图1所示。高稳定温度箱为定制产品，温度波动度为±0.1℃。试验监测样品壳温并采集Vcc电压、待机电流等敏感参数，数据采集频次为1次/4秒。2结果与讨论温度应力125℃试验共进行

6、1000小时，实际采集数据898647条。温度应力100℃试验共进行988小时，实际采集数据887372条。试验应力的标准差/评价值均小于千分之一。下图2黑色曲线为#A1样品的待机电流原始测试值，采用卡尔曼(Kelman)滤波及平滑技术，对采集到的样品待机电流测试数据进行处理，抑制温度、电源电压波动及测试随机噪声的干扰。图5中绿色曲线为待机电流经过Kelman滤波后的值，红色曲线为待机电流经过Kelman平滑后的值。图2#A1样品敏感参数退化测试数据及Kelman滤波曲线采用寿命预估软件对#A1、#A3、#A4、#A5样品

7、的待机电流理论值进行退化动力学建模。在常见的线性退化、幂率退化、指数、对数退化、LoydLipopertz退化共6种模型中，根据拟合残差平方和最小原则自动匹配退化模型。计算机分析结果为125℃应力下，样品的待机电流退化模型如下，电流I单位为安培，时间t单位为小时：#A1：I=3.97E-002+3.059E-007*t#A3：I=3.834E-002+2.872E-007*t#A4：I=4.109E-002+3.184E-007*t#A5：I=3.273E-002+7.472E-007*t计算机分析结果为100℃应力下，样

8、品的待机电流退化模型如下：#B1：I=2.165E-002+4.070E-008*t#B2：I=1.751E-002+3.962E-008*t#B3：I=1.676E-002+4.226E-008*t#B4：I=1.502E-002*exp(3.555E-006*t)由于#A1与#B1、#A3与#B2、