所謂集成電路可靠性是指半導(dǎo)體集成電路在一定的工作條件下（指一定的溫度、濕度、機(jī)械振動(dòng)、電壓等），在一定的時(shí)間內(nèi)能夠完成規(guī)定作用的幾率。集成電路可靠性問(wèn)題的提出是與電子信息產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的下列三個(gè)特點(diǎn)分不開(kāi)的。
1．電子信息系統(tǒng)產(chǎn)品的復(fù)雜程度不斷增長(zhǎng)
電子信息系統(tǒng)產(chǎn)品復(fù)雜程度的重要標(biāo)志是所需元件的數(shù)量越來(lái)越多。如美國(guó)轟炸機(jī)上的無(wú)線(xiàn)電設(shè)備情況是：1921年前飛機(jī)上還沒(méi)有無(wú)線(xiàn)電設(shè)備，1940年飛機(jī)上的電子設(shè)備只有一千多個(gè)，1950年B－47飛機(jī)上的電子設(shè)備發(fā)展到2萬(wàn)多個(gè)，1955年B－52飛機(jī)上的電子設(shè)備發(fā)展到5萬(wàn)多個(gè)，1960年B－58飛機(jī)上的電子設(shè)備發(fā)展到9萬(wàn)多個(gè)；一般制導(dǎo)系統(tǒng)上的計(jì)算機(jī)部分就有10萬(wàn)多個(gè)電子元器件。
一般來(lái)說(shuō)，電子系統(tǒng)所采用的電子元器件個(gè)數(shù)越多，其可靠性問(wèn)題就越嚴(yán)重，對(duì)于相關(guān)性很強(qiáng)的電子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其系統(tǒng)可靠性為所用電子元器件可靠性的乘積。假設(shè)元器件的可靠性均為99．5％，則采用100個(gè)元器件組成系統(tǒng)的可靠度僅為60％。若30萬(wàn)個(gè)元器件組成系統(tǒng)，為了確保系統(tǒng)可靠度為95％，則要求每個(gè)元器件的可靠度為99．9999％以上。現(xiàn)代大型電子系統(tǒng)的電子元器件數(shù)量達(dá)百萬(wàn)個(gè)以上，對(duì)電子元器件可靠性的要求則更高。
2．電子系統(tǒng)設(shè)備的使用環(huán)境日益嚴(yán)酷
現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)備的使用環(huán)境從實(shí)驗(yàn)室到野外、從陸地到海洋、從高空到太空，還有使用在熱帶、南北極等地的。各種不同地方的電子設(shè)備需要經(jīng)受不同的環(huán)境條件，如軍用武器裝備中的強(qiáng)振動(dòng)和加速度、外部空間的粒子輻射和核武器的核輻射等。一般來(lái)說(shuō)，使用條件越嚴(yán)酷，系統(tǒng)失效的可能性就越大，對(duì)可靠性的要求也越高。
3．電子系統(tǒng)的組裝密度不斷提高
為了減小電子系統(tǒng)的體積和重量，除了采用更高集成度的集成電路外，還需要采用多芯片組件（MCM）的方式進(jìn)行二次集成。組裝密度的提高，使得系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境溫度迅速提高，加速電子元器件的老化過(guò)程，高速信號(hào)之間的串?dāng)_也越來(lái)越嚴(yán)重，所以對(duì)可靠性的要求也進(jìn)一步提高。
一、集成電路可靠性
集成電路可靠性通常用失效率進(jìn)行量度。瞬時(shí)失效率λ（t）定義為某個(gè)相當(dāng)短的時(shí)間間隔Δt內(nèi)，失效的器件數(shù)Nt與這段時(shí)間內(nèi)工作的器件總數(shù)N（t）和時(shí)間間隔Δt的乘積之比，即
λ（t）＝Nt／N（t）Δt
λ（t）采用非特（1非特＝0．0001 ％／1000小時(shí)＝10＾－9／小時(shí)）來(lái)度量。瞬時(shí)失效率簡(jiǎn)稱(chēng)為失效率，用于描述在各個(gè)時(shí)刻仍在正常工作的器件失效的可能性。
集成電路的可靠性效應(yīng)可以分為6類(lèi)：靜電效應(yīng)、熱效應(yīng)、二次擊穿效應(yīng)、閂鎖效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和輻射效應(yīng)。
當(dāng)帶有靜電荷的物體與非帶電導(dǎo)體接觸時(shí)，帶電導(dǎo)體會(huì)通過(guò)非帶電導(dǎo)體放電，即靜電放電。如果帶電體是通過(guò)集成電路進(jìn)行放電，就會(huì)對(duì)器件帶來(lái)?yè)p傷，導(dǎo)致器件失效，即靜電效應(yīng)。帶電人體對(duì)集成電路的靜電效應(yīng)是最主要的。
集成電路工作時(shí)所消耗的功率要通過(guò)發(fā)熱的形式耗散出去，如果集成電路的散熱能力有限，則所消耗的功率會(huì)引起集成電路內(nèi)部溫度的上升，如果集成電路的工作環(huán)境溫度過(guò)高或是由于在高寒地帶不連續(xù)工作等原因引起溫度交替變化，也會(huì)在集成電路內(nèi)部產(chǎn)生高溫應(yīng)力或溫度循環(huán)應(yīng)力，從而引起集成電路失效，即熱效應(yīng)。
二次擊穿是一種典型的集成電路體內(nèi)失效，是嚴(yán)重威脅功率集成電路和高壓集成電路安全使用的主要失效模式。二次擊穿與雪崩擊穿有本質(zhì)的區(qū)別，二次擊穿是不可逆的，具有破壞性，器件在二次擊穿狀態(tài)下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或經(jīng)受多次二次擊穿，其特性將顯著惡化，可能會(huì)被突然燒毀。
CMOS集成電路具有一種獨(dú)特的閂鎖（Latch Up）失效，不僅對(duì)其可靠性造成了嚴(yán)重威脅，而且成為進(jìn)一步提高其集成度和性能指標(biāo)的主要障礙。CMOS集成電路的基本邏輯單元是由一個(gè)PMOS晶體管和一個(gè)NMOS晶體管以互補(bǔ)形式連接構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)NMOS和PMOS的隔離，必須在n型襯底內(nèi)加進(jìn)一個(gè)p型區(qū)（稱(chēng)為p阱）或者在p型襯底內(nèi)加進(jìn)一個(gè)n型區(qū)（稱(chēng)為n阱）。由于NMOS和PMOS都做成增強(qiáng)型，所以通常在未接輸入信號(hào)時(shí)，它們都處于截止?fàn)顟B(tài)，正電源端和負(fù)電源端之間幾乎沒(méi)有電流流過(guò)。但是，在測(cè)試和使用過(guò)程中，有時(shí)器件引出端（包括輸出端、輸入端和電源端等）受到外來(lái)的電壓或電流信號(hào)的觸發(fā)，正電源端和負(fù)電源端會(huì)出現(xiàn)很大的導(dǎo)通電流。該電流一旦開(kāi)始流動(dòng)、即使除去外來(lái)觸發(fā)信號(hào)也不會(huì)中斷，只有關(guān)斷電源或?qū)㈦娫措妷航档侥硞€(gè)值以下才能解除這個(gè)電流。這個(gè)現(xiàn)象就是CMOS集成電路閂鎖效應(yīng)。
集成電路在儲(chǔ)存、保管和使用過(guò)程中，特別是裝有器件的電子設(shè)備在沿海、海上和亞熱帶地區(qū)使用時(shí)，會(huì)遇到高溫潮濕、酸雨和鹽霧環(huán)境條件。在這種條件下，器件有可能因電化學(xué)反應(yīng)遭到腐蝕而失效。一方面，器件的外引線(xiàn)和管殼可能直接被腐蝕，這種現(xiàn)象以柯伐合金引線(xiàn)最為顯著；另一方面，由于管殼的密封性缺陷或封裝材料本身的吸氣性（對(duì)塑料封裝），水汽可能會(huì)滲入管殼內(nèi)部，使芯片表面的鋁金屬化布線(xiàn)被腐蝕或芯片電性能劣化，即化學(xué)效應(yīng)。
隨著空間技術(shù)、核技術(shù)和戰(zhàn)略武器技術(shù)的發(fā)展，各種電子設(shè)備已經(jīng)廣泛用于人造衛(wèi)星、宇宙飛船、運(yùn)載火箭、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈和核武器控制系統(tǒng)中。構(gòu)成電子設(shè)備的電子元器件不可避免地要處于空間輻射和核輻射等強(qiáng)輻射應(yīng)用環(huán)境之中，輻射作用會(huì)對(duì)元器件性能造成不同程度的破壞，進(jìn)而使整個(gè)電子設(shè)備發(fā)生故障。例如，裝在導(dǎo)彈上的集成電路因受到輻照而失效，就會(huì)使彈上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)生邏輯誤差，結(jié)果使導(dǎo)彈失控而迷失方向或者過(guò)早爆炸，甚至不能爆炸，這種失效應(yīng)被稱(chēng)為輻射效應(yīng)。
二、集成電路設(shè)計(jì)中提高可靠性的措施
集成電路的電路設(shè)計(jì)中提高可靠性的基本原則是把對(duì)器件的要求與具體工藝情況結(jié)合起來(lái)，因此熟悉工藝特點(diǎn)是搞好設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在電路設(shè)計(jì)中可以采取以下一些措施來(lái)提高集成電路的可靠性：
（1）明確電路技術(shù)指標(biāo)和使用環(huán)境。
（2）減小面積和復(fù)雜性。在滿(mǎn)足功能要求的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化電路以盡量減少總面積和復(fù)雜性，減少接點(diǎn)數(shù)目（如減少雙極集成電路隔離島數(shù)目等）。面積減小能使缺陷減少，從而使可靠性提高。
（3）對(duì)于電路器件給予一定的容差，即按最壞情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，這也叫容差設(shè)計(jì)。
（4）在同樣參數(shù)指標(biāo)情況下，盡量降低電路的功耗（例如工作電流要選擇恰當(dāng)?shù)龋越档碗娐饭ぷ鲿r(shí)的結(jié)溫，提高可靠性；當(dāng)最大電流Imax≤2×10＾5A／cm2 時(shí)，還有利于防止電遷移。
（5）必要時(shí)要考慮元件的冗余設(shè)計(jì)，即增加并聯(lián)或串聯(lián)元件以確保可靠性，這一點(diǎn)常在部件或整機(jī)設(shè)計(jì)中考慮。
（6）在某些電路中加設(shè)保護(hù)電路，如集成穩(wěn)壓器中加過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)，集成運(yùn)放輸出級(jí)加過(guò)流保護(hù)電路，在高溫度穩(wěn)定的電路中加溫度補(bǔ)償電路，輸入端加輸入保護(hù)電路等。下面重點(diǎn)介紹CMOS集成電路中輸入端防靜電擊穿（ESD）的輸入保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。
1．二極管和電阻雙層ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)
采用二極管和電阻雙層保護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)ESD進(jìn)行鉗位和濾除放電電荷是一種常用的保護(hù)電路技術(shù)，早期的NMOS電路都采用這種保護(hù)技術(shù)，目前的一些小規(guī)模CMOS電路也采用這種ESD結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單的二極管在正偏時(shí)可以用來(lái)作為鉗位單元抑制ESD，其開(kāi)啟電阻（Ron）比較低，約為10Ω，觸發(fā)電壓也比較低。另一方面，二極管在反偏時(shí)，其作為鉗位單元的特性較差，由于此時(shí)其Ron很高，約為100Ω，從而導(dǎo)致很大的能量消耗。這種ESD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝條件都比較簡(jiǎn)單，是比較普遍的ESD保護(hù)電路的形式。對(duì)于有抗靜電要求的微米級(jí)CMOS集成電路，可以采用如圖1所示的保護(hù)電路，D2、D4、D6和D8是p＋擴(kuò)散電阻的分布二極管。D1、D3、D5、D7和D9是由p－n＋結(jié)形成的二極管。
圖1 基本的二極管和電阻雙層ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)
利用二極管鉗位和RC低通濾波可以使端口處出現(xiàn)的ESD電荷脈沖通過(guò)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)旁路，避免進(jìn)入到電路內(nèi)部，同時(shí)對(duì)端口處出現(xiàn)的其他干擾也能濾除。
2．GG－NMOSESD保護(hù)結(jié)構(gòu)
在CMOS集成電路技術(shù)中，GG－NMOS（柵、源、襯接地的NMOS）ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣泛的ESD保護(hù)措施，主要應(yīng)用于微米及亞微米CMOS集成電路的ESD保護(hù)，圖2為典型的GG－NMOS ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。GG－NMOS ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)是利用Snapback特性來(lái)鉗位瞬態(tài)高壓和分流，具有低鉗位電壓和低開(kāi)啟電阻的特點(diǎn)，而二極管ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的開(kāi)啟電阻較大。當(dāng)正脈沖（ESD）加在漏結(jié)上（n＋／p），該結(jié)反偏，器件進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，直到達(dá)到擊穿電壓為止。由于處于高場(chǎng)狀態(tài)，在耗盡區(qū)產(chǎn)生電子、空穴對(duì)，電子被漏接觸電極收集，而空穴被襯底接觸電極所收集。相對(duì)于接地的源結(jié)，襯底的局部電勢(shì)不斷增加。當(dāng)局部電勢(shì)增加到足以使源極—襯底結(jié)正偏時(shí)，電子就從源區(qū)注入漏區(qū)。
圖2 GG－NMOSESD保護(hù)結(jié)構(gòu)
3．寄生PNP和NPNESD保護(hù)結(jié)構(gòu)
全寄生的雙極性PNP和NPN晶體管ESD保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，能有效避免PN結(jié)鉗位或MOS管鉗位結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的鉗位電流中的少數(shù)載流子向內(nèi)部電路區(qū)擴(kuò)散，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 寄生PNP和NPN ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)
在這種ESD保護(hù)電路中，多晶硅電阻吸收了大部分的ESD能量。這種保護(hù)電路實(shí)際上是用p＋和n＋擴(kuò)散區(qū)形成的，其鉗位方式是采用PN結(jié)鉗位的。由p＋擴(kuò)散區(qū)形成的二極管與n阱構(gòu)成了寄生的垂直P(pán)NP晶體管。阱收集環(huán)包圍了n區(qū)和襯底，收集了大部分ESD放電注入襯底中的少數(shù)載流子，并且該環(huán)作為橫向NPN晶體管的集電極。該保護(hù)電路在靜電放電過(guò)程中，可以使到內(nèi)部電路去的連線(xiàn)鉗位在VDD和VSS（地）電位之間。圖4是基于n阱CMOS工藝的寄生PNP和NPN ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)版圖。
圖4 基于n阱CMOS工藝的寄生PNP和NPN ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)版圖
4．SCRESD保護(hù)結(jié)構(gòu)
采用寄生的橫向PNPN結(jié)構(gòu)（SCR）的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)是目前最有效使用最廣泛的一種ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，具有大電流吸入／輸出、低的接通阻抗等特性，并具有較大的熱耗散體積。但是SCR器件需要有一個(gè)高觸發(fā)電壓，同時(shí)為了執(zhí)行保護(hù)功能，該觸發(fā)電壓又必須小于輸入緩沖器或者輸出驅(qū)動(dòng)器的損傷電壓。據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，在具有LDD和硅擴(kuò)散1μm CMOS工藝制作的、陰陽(yáng)極間距為6μm的寄生橫向SCR器件的觸發(fā)電壓為50V，所以不能采用單獨(dú)的寄生橫向SCR作為唯一的ESD保護(hù)器。為了提供更寬范圍的ESD保護(hù)，早期的SCR四層結(jié)構(gòu)保護(hù)電路中，大都采用了諸如電阻和二極管等次級(jí)保護(hù)元件。也有研究者為了減少次級(jí)保護(hù)元件，采用兩種方法，降低寄生橫向的SCR觸發(fā)電壓。一種辦法是在橫向SCR內(nèi)集成一個(gè)低擊穿電壓的短溝道NMOS晶體管，形成“LVTSCR”的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的觸發(fā)電壓一般為10～15V，但是要將這個(gè)NMOS晶體管和橫向SCR結(jié)合在一起比較困難。另外一種解決辦法，為了獲得較低的觸發(fā)電壓而增加了一塊“NLCS”掩模，用來(lái)完成橫向SCR內(nèi)深處的場(chǎng)注入。這種辦法得到的最小觸發(fā)電壓為9V。這個(gè)辦法的缺點(diǎn)是要增加掩模和工藝步驟，沒(méi)有廣泛應(yīng)用。
目前，雙寄生橫向SCR結(jié)構(gòu)的ESD保護(hù)電路被廣泛采用，如圖5所示。在這個(gè)ESD保護(hù)電路中，一個(gè)寄生橫向SCR結(jié)構(gòu)安排為對(duì)正的ESD脈沖放電，另一個(gè)則安排對(duì)負(fù)的ESD脈沖放電。兩個(gè)SCR都具有較低的觸發(fā)電壓。在這種ESD保護(hù)電路中，不存在PN結(jié)或器件的擊穿。這就避免了數(shù)次ESD瞬變之后，由于器件或結(jié)擊穿引起性能退化。這種保護(hù)電路具有小的版圖尺寸、低輸入電容和低接通電阻。比較理想的滿(mǎn)足了CMOS電路芯片上ESD保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要求。圖6為其中一種SCRESD保護(hù)電路的版圖。
圖5 雙寄生橫向SCRESD保護(hù)結(jié)構(gòu)
圖6 SCRESD保護(hù)結(jié)構(gòu)版圖
三、集成電路的版圖設(shè)計(jì)中提高可靠性的措施
版圖設(shè)計(jì)的好壞直接影響電路生產(chǎn)的成品率及可靠性。好的設(shè)計(jì)不但本身很少帶來(lái)不可靠因素，而且對(duì)于工藝上難以避免的問(wèn)題，也能預(yù)防或減弱其影響。
根據(jù)使用的溫度范圍（軍用－55～125℃，民用－25～85℃）及其他可靠性要求，版圖設(shè)計(jì)需要考慮電性能和熱性能。由電參數(shù)要求及工藝水平來(lái)確定元件的結(jié)構(gòu)、尺寸，再考慮寄生效應(yīng)、散熱等問(wèn)題，從而最后確定整個(gè)電路的布局和布線(xiàn)。可靠性設(shè)計(jì)的內(nèi)容很多，下面介紹一些主要措施。
1．關(guān)于金屬化層布線(xiàn)
大量的失效分析表明，因金屬化層（目前一般是Al層）通過(guò)針孔和襯底短路，且Al膜布線(xiàn)開(kāi)路造成的失效不可忽視，所以必須在設(shè)計(jì)布線(xiàn)時(shí)采取預(yù)防措施。例如盡量減少Al條覆蓋面積，采用最短Al條，并盡量將Al條布在厚氧化層（厚氧化層寄生電容也小）上以減少針孔短路的可能。
防止Al條開(kāi)路的主要方法是盡量少的通過(guò)氧化層臺(tái)階。如果必須跨過(guò)臺(tái)階，則采取減少臺(tái)階高度和坡度的辦法。
為防止Al條電流密度過(guò)大造成的電遷移失效，要求設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)Al條的電流密度J＜2×10＾5A／cm2，Al條要有一定的寬度和厚度。
對(duì)于多層金屬布線(xiàn)，版圖設(shè)計(jì)中布線(xiàn)層數(shù)及層與層之間通道應(yīng)盡可能少。
2．版圖設(shè)計(jì)中的熱分布問(wèn)題
據(jù)推測(cè)，芯片溫度每提高25℃失效率約增加一倍，所以要盡量降低芯片溫度以降低失效率。為防止結(jié)溫過(guò)高，功率較大的管子面積要設(shè)計(jì)得足夠大，而發(fā)射區(qū)有效邊長(zhǎng)仍由最大電流確定。在整個(gè)芯片上發(fā)熱元件的布局分布要均勻，不使熱量過(guò)分集中在一角。在元件的布局上，還應(yīng)將容易受溫度影響的元件遠(yuǎn)離發(fā)熱元件布置。在必須匹配的電路中，可把對(duì)應(yīng)的元件并排配置或軸對(duì)稱(chēng)配置，以避免光刻錯(cuò)位和擴(kuò)散不勻。要注意電源線(xiàn)和地線(xiàn)的位置，這些布線(xiàn)不能太長(zhǎng)。
3．其他措施
（1）元件尺寸的選擇要適當(dāng)。應(yīng)考慮功率密度、寄生效應(yīng)、制版光刻誤差、橫向擴(kuò)散及擴(kuò)散容差等因素，Al條應(yīng)覆蓋歐姆接觸孔并留一定余量。
（2）保證電路參數(shù)的要求：多發(fā)射極晶體管的長(zhǎng)脖子區(qū)不宜太長(zhǎng)，因?yàn)樘L(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致fT下降；避免在輸出線(xiàn)上做擴(kuò)散“地”道；外延層電阻島上接電源的歐姆接觸孔要擴(kuò)n＋。
此外，對(duì)于CMOS集成電路，為提高其抗閂鎖能力可在版圖設(shè)計(jì)上采取以下措施：①合理布置電源接觸孔，減小橫向電流密度和橫向電阻；②采用接襯底的環(huán)形VDD電源線(xiàn)（p阱），并盡可能將襯底背面接VDD；③增加電源VDD和VSS（GND）接觸孔，并加大接觸面積；④對(duì)每一個(gè)接VDD的孔都要在相鄰的阱中配以對(duì)應(yīng)的VSS（GND）接觸孔，以便增加并行的電流通路；⑤盡量使VDD和VSS的接觸孔的長(zhǎng)邊相互平行；⑥接VDD的孔盡可能安排得離阱遠(yuǎn)一些；⑦接VSS的孔要盡可能安排在p阱的所有邊上。
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