超深亚微米SoC嵌入式可靠性失效预报技术研究
【摘要】半导体技术的飞速发展已经将集成电路技术带到了超深亚微米时代，这使得集成电路性能更好、集成度更高。集成电路从其诞生以来就朝着高性能和高可靠性两个方向不断发展。器件尺寸缩小、电路性能提升的同时，一些传统的可靠性失效机理，如栅氧经时击穿、热载流子注入、电迁移等对电路与器件的影响不但没有减轻，而且一些以前可以忽略的失效机理如，负偏压温度不稳定性，也变得越来越不能忽视了。因此，在一些可靠性要求较高的应用领域，可靠性失效严重威胁着SoC（SystemonChip）乃至系统的安全，甚至一块电路的失效都可能会带来重大的损失甚至是灾难性的后果。本研究提出了一种新的SoC可靠性测试与寿命预报技术。针对栅氧经时击穿、热载流子注入、负偏压不稳定性、电迁移失效机理，设计若干种专用于可靠性测试的电路单元，其可作为IP（IntellectualProperty）嵌入到主电路之中，具体内容概括如下：（1）首先从可靠性基础理论出发，基于超深亚微米时代可靠性测试遇到的困难，创新性地提出了可靠性预报单元的设计理念；并针对单个失效机理设计单一失效机理的预报实现方案。（2）基于栅介质经时击穿的失效机理、失效模型以及寿命的威布尔分布，提出了栅介质失效监测电路，求出电路设计所需参数的表达式。针对设计的栅氧击穿监测单元电路，基于台积电的0.18μmCMOS工艺设计了监测电路版图，并进行了投片。对获得的监测电路以及用于栅氧经时击穿加速实验的测试电容进行了大量的实验，获得设计所需的参数，对电路以及电路设计方法进行了验证。（3）基于热载流子注入发生的机理，提出了热载流子失效监测电路的设计方案。针对热载流子注入对器件及电路的影响，设计了热载流子注入失效监测电路。基于台积电的0.18μmCMOS工艺设计了热载流子注入失效监测单元电路版图，并进行了投片。对获得的监测电路以及用于加速寿命实验的环形振荡器进行了热载流子加速寿命实验，验证了环形振荡器振荡频率随时间的变化关系，对电路以及电路设计方法进行了验证。（4）基于负偏压温度不稳定性发生的机理，提出了负偏压温度不稳定性失效监测电路的设计方案。针对负偏压温度不稳定性对器件及电路的影响，设计了负偏压温度不稳定性失效监测电路。基于台积电的0.18μmCMOS工艺设计了负偏压温度不稳定性失效监测单元电路版图，并进行了投片。对获得的监测电路以及用于加速寿命实验的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET：Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistors）进行负偏压温度实验，验证了负偏压温度应力时间也符合小数幂指数函数关系，对电路以及电路设计方法进行了验证。（5）基于电迁移发生的机理，提出了电迁移失效监测电路的设计方案。针对电迁移对器件及电路的影响，设计了电迁移失效监测电路。基于台积电的0.18μmCMOS工艺设计电迁移失效监测单元电路版图，并进行投片。对获得的监测电路以及测试金属连线组进行电迁移加速寿命实验，获得相关参数，对电路以及电路设计方法进行了验证。（6）针对可靠性失效监测系统在应用中可能会占用过多输入/输出（I/O：Input/Output）口的问题，设计了联合测试组总线接口电路并进行了仿真。总之，本论文所提出的SoC可靠性测试与寿命预报技术克服了传统可靠性概率统计法分析不能实时反映电路的可靠性状态以及电路可靠性仿真耗时长精度差的缺点。本论文提出的可靠性失效测试系统可嵌入到待测电路中，能实时地反映待测电路的退化状态，具有很好应用价值。
【作者】辛维平；
【导师】庄奕琪；
【作者基本信息】西安电子科技大学，微电子学与固体电子学，2014，博士
【关键词】可靠性；热载流子；栅氧经时击穿；负偏压温度不稳定性；电迁移；
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