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2001年第02期总第110期 |
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超大规模集成电路中的可靠性技术应用与发展 孔学东，恩云飞(信息产业部电子第五研究所，广东 广州 510610) 摘要： 论述了大规模／超大规模集成电路可靠性技术的应用与发展，重点强调在大规模／超大规模集成电路中可靠性技术的地位和作用，对“十五”超大规模集成电路可靠性的发展提出了思路。 关键词： 超大规模集成电路；系统芯片；可靠性 中图分类号： TN47 文献标识码： A 1 引 言 超大规模集成电路(VLSI)及其相关技术是现代电子信息技术迅猛发展的关键因素和核心技术。VLSI及其相关技术作为军民两用前沿技术，具有普遍的影响和作用，对国防建设、社会经济和科学技术水平的发展起着巨大的推动作用。技术与经济的相互促进为VLSI及其相关技术的应用与发展提供了更为坚实的技术基础和源泉。 2 超大规模集成电路可靠性技术的应用与发展 在工程应用中可靠性技术贯穿于VLSI需求分析、产品设计、制造工艺、试验检测以及应用全过程的各个阶段和方面，军事电子和航天技术的发展对VLSI提出了越来越高的可靠性要求，推动了VLSI可靠性技术的不断发展。由于技术的发展和需求的推动，VLSI可靠性保证已从过去主要通过可靠性试验和筛选来控制最终产品的可靠性，逐步转向加强工艺过程控制、加强可靠性设计与功能设计的协同，在考虑工艺能力和功能设计的同时，针对主要失效机理提出对策措施，并对VLSI在全寿命周期中以及特定环境条件下的可靠性指标及其成本进行综合权衡，据此在电路设计、结构设计和版图布局、材料选择、工艺流程和参数选择、工艺过程控制、设计验证与过程评价、产品的可靠性试验评价与筛选等环节引入适当的可靠性技术，使产品的可靠性水平得到保证和提高。VLSI可靠性技术包含了可靠性设计与模拟、可靠性试验与评价、工艺过程质量控制、失效机理与模型研究以及失效分析技术等五个主要的技术方向，随着可靠性物理研究的不断深入，VLSI可靠性技术呈现出模型化、定量化、综合化的发展趋势。 由于VLSI集成度一直遵循“摩尔定律”以每18个月翻一番的速度急剧增加，目前一个芯片上集成的电路元件数早已超过一个亿，这种发展趋势正在使VLSI在电子设备中扮演的角色从器件芯片转变为系统芯片(SOC)；与此同时，深亚微米的VLSI工艺特征尺寸已达到0.18 μm以下，在特征尺寸不断缩小、集成度和芯片面积以及实际功耗不断增加的情况下，物理极限的逼近使影响VLSI可靠性的各种失效机理效应敏感度增强，设计和工艺中需要考虑和权衡的因素大大增加，剩余可靠性容限趋于消失，从而使VLSI可靠性的保证和提高面临巨大的挑战。因此，国际上针对深亚微米／超深亚微米VLSI主要失效机理的可靠性研究一直在不断深入，新的失效分析技术和设备不断出现，世界上著名的集成电路制造厂商都建立了自己的VLSI质量与可靠性保证系统，并且把针对VLSI主要失效机理的晶片级和封装级可靠性评价测试结构的开发和应用纳入其质量保证计划，可靠性模拟在可靠性设计与评估中的应用也日益增多。在进一步完善晶片级可靠性(WLR)、统计过程控制(SPC)和面向可靠性的实验设计方法(DOE)等可靠性技术的同时，国际上在90年代提出了内建可靠性(BIR)的新概念，把相关的各种可靠性技术有目标地、定量地综合运用于VLSI的研发和生产过程，从技术和管理上构建VLSI质量与可靠性的保证体系，以满足用户对降低VLSI失效率、提高其可靠性水平的越来越高的要求。 在我国，VLSI可靠性技术经过近两个五年计划的研究和实践，发展与应用已经上了一个新台阶。在VLSI工艺可靠性评价与保证技术方面，建立了面向国内重点集成电路研究的生产线的晶片级可靠性技术WLR，包括工艺质量评价PCM技术、可靠性评价REM技术和工艺质量控制SPC技术，为集成电路制造阶段工艺质量控制和可靠性保证提供了必要的方法和手段，为考核工艺线质量和可靠性能力水平提供了定量依据；在VLSI可靠性设计、模拟与分析技术方面，针对当前VLSI设计阶段的可靠性问题开展了针对主要失效机理的可靠性设计技术研究，自行开发了集成电路可靠性综合模拟器ISRIC，建立并逐步完善了以电子束测试、光发射故障诊断、电子微探针分析和IDDQ测试为核心的综合失效定位技术，并实施和验证了这些技术的有效性，达到了工程实用化的要求。这些技术与90年代尤其是近几年国外普遍采用的可靠性评价方法和技术相一致，具有技术先进和实用性强的特点，在国内几条典型的集成电路生产线和多个电路产品中应用，对稳定工艺和提高工艺成品率，实现批次性工艺可靠性评价和工艺可靠性一致性监测，保证集成电路工艺平台及电路产品的可靠性发挥了重要的作用。我国VLSI可靠性技术的发展具有以下特点： (1)通过失效模式和失效机理分析，揭示导致失效和影响可靠性的内在根本原因，有针对性地进行可靠性设计—失效分析—信息反馈—设计改进，形成循环，以这样的技术途径促进VLSI固有可靠性水平提高。 (2)紧跟国际上先进的VLSI可靠性技术发展趋势，如WLR技术、可靠性模拟技术、先进的失效分析技术等，并进行了深入研究和工程应用。 (3)由于我国VLSI可靠性技术应用的工艺平台与国外有差距，因此目前我们研究和解决的重点是微米／亚微米器件的可靠性问题，而国际上可靠性研究的对象则是超深亚微米器件的可靠性问题。 (4)我国VLSI可靠性技术面向工程应用，实用性强。以PCM、REM和SPC为核心的工艺可靠性评价与保证技术已经被采用，并取得成效。 3 系统芯片技术及其可靠性技术 电子设备和系统应用VLSI的需求从一般的专用集成电路(ASIC)到多芯片组件(MCM)到系统芯片(SOC)是一个必然的发展趋势。一直以来我国在SOC特别是CPU芯片方面主要依赖进口，这对国家的信息安全构成了严重威胁，因此开发具有自主知识产权的SOC和CPU芯片已成为必然的选择。发展SOC技术要解决的重点是SOC设计和制造。SOC设计的核心是建立可复用的IP核库，自主设计和开发IP核、建立和完善国家的IP核库及IP核应用平台是SOC技术发展的当务之急。SOC制造中的关键技术是数模混合兼容的工艺技术、嵌入式芯核制造工艺技术和超深亚微米器件工艺技术。目前这些技术的发展将主要依靠技术引进和专项技术攻关。由于国内已经拥有和正在兴建多条0.25 μm以下的VLSI生产线，集成电路生产流片的社会化服务体系正在形成并逐步规范化，因此当前应重点解决SOC的设计(包括工艺设计)技术问题和VLSI可靠性技术应用问题。SOC技术发展面临的主要研究课题有：SOC集成方法学及综合、测试与验证理论研究；超亚微米MOS器件模型及模拟技术研究；SOC新材料及新器件结构研究；SOC可靠性技术研究。 在发展SOC技术的同时，SOC的可靠性保证是一个重要问题，这涉及到SOC设计、工艺、产品等阶段的各个环节。上述已经发展起来的VLSI可靠性技术同样可以应用于SOC的可靠性保证，同时SOC的可靠性技术也有一些自身的特点：首先，SOC是一个高度集成化的片上系统，系统可靠性设计与分析的一些技术如：系统可靠性模型的建立与分析、降额设计、简化设计、余度设计等可以适当地移植应用于SOC的研发过程。同时各芯核间互连的测试与诊断技术，芯核的可测试性设计技术(DFT)，非DFT芯核的系统级测试技术，芯核的可靠性设计与验证技术，系统级的可靠性仿真技术，成为SOC可靠性技术的关键。 第二，SOC采用的是超亚微米(VDSM)工艺技术，小器件尺寸下的可靠性问题更加突出。因此SOC可靠性技术也包括VDSM器件的主要失效机理研究，VDSM器件可靠性建模与模型参数提取技术，兼容工艺下关键工艺的可靠性保证技术等。 第三，新材料、新结构的采用将带来新的可靠性挑战，如Cu互连、低介电常数介质材料、高密度封装等将引入新的可靠性问题，必须采用新的可靠性技术给予解决。 4 发展思路 未来十年将是国内VLSI产业和技术大发展的十年，将建成多个微电子产业基地，形成以0.25 μm以下VLSI加工技术为核心的设计、制造、测试、封装企业群，并带动全国范围的微电子技术的蓬勃发展。VLSI可靠性技术的发展必需抓住时机，依托这一发展趋势，突出重点，以应用促发展。 (1)在“十五”期间进一步加强对VLSI可靠性应用研究的投入，开展以ASIC、特别是SOC、CPU和DSP等为代表产品的VLSI可靠性设计与验证技术、晶片级(WLR)的可靠性评价与保证技术，Foundry标准工艺线的可靠性参数建库技术，超深亚微米器件失效物理研究，新材料、新器件结构的失效机理研究，无损检测和评价筛选新方法研究，以及新的失效分析技术研究，有效控制各种失效模式，实现可靠性增长。 (2)依托电子元器件可靠性物理及其应用技术国家重点实验室在微电子器件可靠性研究方面的技术和设备条件，通过进一步的能力扩展建设，形成VLSI可靠性评价、试验、筛选、老化、失效分析等系列化的可靠性技术支撑体系，为半导体工业界提供相关技术服务。 (3)制定和实施可靠性相关标准。补充和完善现有国家标准、国军标、企业标准中相关的可靠性内容，建立和完善各类可靠性设计、评价、试验、工艺控制和模拟等行业标准、规范与实施细则，使VLSI设计和工艺过程中可靠性实施有定量的考核标准与依据，保证工艺成品率和产品的可靠性。 (4)全面推广应用成熟的可靠性技术是VLSI可靠性保证计划实施的关键。特别是标准工艺线的工序能力考核和SPC控制技术、标准工艺的可靠性评价技术、可靠性设计与仿真评价技术等应在全行业内推广应用。 |
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