專利名稱：基于電子散斑技術(shù)預(yù)測(cè)集成電路工作壽命的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路試件可靠性分析與壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種基于電子散 斑技術(shù)預(yù)測(cè)集成電路工作壽命的方法。
背景技術(shù)：
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，微電子器件的體積不斷減小，集成度日益提高且隨著集成 電路的多功能化和復(fù)雜化，可靠性分析的難度也越來越大、新品種越來越多，可靠性試驗(yàn)技 術(shù)難度越來越大，各種試驗(yàn)檢測(cè)裝置、試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)、試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法也在不斷的發(fā)展。另外， 新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)、以及新的使用環(huán)境，使得在舊的失效問題解決后又有新的問題 出現(xiàn)，這使得失效分析，可靠性測(cè)試成為集成電路設(shè)計(jì)與制造中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，同時(shí)隨著人們 對(duì)微電子器件長(zhǎng)壽命和高可靠性的不斷追求，集成電路的可靠性檢測(cè)也朝著更高測(cè)試效率 的方向發(fā)展，近些年，光學(xué)測(cè)量技術(shù)憑借其非接觸、無損、精度高的優(yōu)勢(shì)逐漸被引入到半導(dǎo) 體封裝的可靠性測(cè)試中，這些方法包括幾何云紋，云紋干涉，泰曼-格林干涉儀等，但這些 方法都受到一些條件的限制。相比之下激光電子散斑干涉技術(shù)(ESPI)克服了以上的缺點(diǎn)， 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、全場(chǎng)測(cè)量、不需要光滑表面及抗干擾能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，電子散斑 干涉測(cè)量技術(shù)(ESPI)是一種對(duì)粗糙表面進(jìn)行無損全場(chǎng)光學(xué)測(cè)量的技術(shù)，是在現(xiàn)代高科技 成果(激光技術(shù)、全息技術(shù)、視頻技術(shù)、電子技術(shù)、信息與圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密 測(cè)試技術(shù)等)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其基本思想是相干光束照射被測(cè)物體表面，從粗糙表 面發(fā)生各個(gè)方向的反射，入射光與反射光相互干涉形成原始散斑干涉場(chǎng)。在物體狀態(tài)發(fā)生 改變前后分別記錄原始散斑場(chǎng)，將這兩次記錄的圖像信息進(jìn)行相減或者其他處理，就產(chǎn)生 了攜帶物體狀態(tài)改變信息的散斑干涉條紋圖。通過對(duì)條紋的處理和分析，可以得到被測(cè)物 體的狀態(tài)改變信息。該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)方法簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，非接觸全場(chǎng)測(cè)量、不需光學(xué)平 滑表面、抗干擾性強(qiáng)等突出特點(diǎn)。近年來國內(nèi)外一些學(xué)者利用電子散斑干涉測(cè)量技術(shù)結(jié)合 環(huán)境試驗(yàn)，從熱應(yīng)力變形角度對(duì)集成電路試件可靠性問題進(jìn)行了研究，如熊顯名、胡放榮、 李根等人于2006年3月在《中國激光》第33卷增刊中公開的一種“激光電子散斑技術(shù)在集 成電路試件封裝熱可靠性研究中的應(yīng)用”，就是基于激光電子散斑干涉技術(shù)可以測(cè)量微小 位移的原理來檢測(cè)加載時(shí)大規(guī)模集成電路試件的離面位移，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合曲線分 析其封裝的熱穩(wěn)定性和熱可靠性。然而上述研究?jī)H停留在對(duì)封裝的熱變形和熱應(yīng)力的分析 上，沒有對(duì)其可靠性壽命進(jìn)行深入的研究，缺乏一個(gè)集合檢測(cè)及可靠性壽命預(yù)測(cè)于一體的 完善系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于電子散斑技術(shù)預(yù)測(cè)集成電路工作壽 命的方法，該方法能夠根據(jù)集成電路試件加速溫度應(yīng)力條件下的離面位移變化情況預(yù)估出 集成電路試件在常溫條件下的工作壽命，并具有快捷、成本低廉、精度高等特點(diǎn)。本發(fā)明的核心在于以離面位移為失效敏感參數(shù)，根據(jù)集成電路試件的離面位移
變化規(guī)律來預(yù)測(cè)其工作壽命，提出將序進(jìn)溫度加速壽命實(shí)驗(yàn)和電子散斑干涉測(cè)量技術(shù)結(jié)合 起來，在保證失效機(jī)理一致的前提下，通過研究高溫度應(yīng)力條件下集成電路試件封裝的離 面位移來提取失效激活能，進(jìn)而來測(cè)出其常溫條件下的可靠壽命。為解決上述問題，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基于電子散斑技術(shù)預(yù)測(cè)集成電路工作壽命的方 法，包括如下步驟基于電子散斑技術(shù)預(yù)測(cè)集成電路工作壽命的方法，包括如下步驟1)建立一套基于電子散斑技術(shù)的光學(xué)測(cè)試平臺(tái)，并將集成電路試件放置在搭建好 的光學(xué)測(cè)試平臺(tái)上，利用溫控系統(tǒng)給集成電路試件施加序進(jìn)溫度應(yīng)力，同時(shí)給試件施加正 常水平的恒定電應(yīng)力；2)記錄集成電路試件的離面位移隨溫度變化的規(guī)律曲線；其特征在于還包括有 如下步驟，3)根據(jù)步驟2)所得離面位移數(shù)據(jù)，擬合In(ASZt2Sci)和_1/T曲線，即 ,,Δ5、 ，0、1 , ,A1IgnVm,其中A' = A/S0, A為一常數(shù)值，S0為芯片表面初始位移值，AS為離面位移變化 值，T為測(cè)試時(shí)的溫度(即溫控系統(tǒng)給集成電路試件施加的溫度)，k波爾茲曼常數(shù)，j為電 流密度，V為工作電壓值，η為電流密度冪指數(shù)因子，m為電壓冪指數(shù)因子，Q為失效激活能， β為溫度變化率(溫升速率)；上述曲線即為失效機(jī)理一致判別曲線，該曲線的拐點(diǎn)位置即 為失效機(jī)理變化的溫度點(diǎn)，由此曲線即可得出失效機(jī)理一致的溫度范圍；4)通過下式提取出在失效機(jī)理一致的溫度范圍內(nèi)集成電路試件的失效激活能； 其中，T1 T2和T3 T4為同一失效機(jī)理下的兩個(gè)不同的區(qū)間段AS1ST1-T2 區(qū)間段內(nèi)的離面位移變化量，Δ S2為為T3 T4區(qū)間段內(nèi)的離面位移變化量,S1為T1對(duì)應(yīng)的 離面位移值，S2為T3對(duì)應(yīng)的離面位移值，Q為失效激活能，k波爾茲曼常數(shù)，T為測(cè)試時(shí)的溫 度；5)將上述求出的失效激活能代入下述壽命預(yù)測(cè)模型，即 得出不同溫度Ti條件下集成電路試件的工作壽命τ，其中T' i T' 2溫度范圍 內(nèi)集成電路的失效機(jī)理與常溫工作環(huán)境溫度Ti的失效機(jī)理一致，Q為失效激活能，β為溫 度變化率，k為波爾茲曼常數(shù)，T為測(cè)試時(shí)的溫度。上述方案所述步驟4)在對(duì)集成電路試件的失效激活能進(jìn)行提取時(shí)，還包括根據(jù) 離面位移數(shù)據(jù)對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行判別，保證集成電路試件在所施加的溫度應(yīng)力條件下失效機(jī) 理與常溫工作條件的失效機(jī)理一致的步驟。上述方案所述光學(xué)測(cè)試平臺(tái)主要由激光器、分束鏡、2個(gè)反射鏡、2個(gè)擴(kuò)束鏡、成像 透鏡、合束棱鏡、電耦合元件(CCD)、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成；激光器發(fā)出的激光經(jīng)分束鏡后得到兩路光，其中一路經(jīng)第一擴(kuò)束鏡擴(kuò)束濾波后，照射到集成電路試件的表面反射形 成物光；從分束鏡得到的另一束光作為參考光，該參考光經(jīng)第一反射鏡和第二反射鏡的反 射以及由第二擴(kuò)束鏡擴(kuò)束濾波后，與經(jīng)過成像透鏡后的物光在棱鏡處匯合，兩束光照射在 電耦合元件靶面上；當(dāng)上述兩束光的光程相等時(shí)，則會(huì)在電耦合元件的靶面上干涉，電耦合 元件把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)圖像采集卡的采集及處理后，得到清晰的散斑條紋信息。上 述方案所述集成電路試件表面反射光線與電耦合元件的靶面向垂直。上述方案所述溫控系統(tǒng)為加熱箱，集成電路試件夾持放置在該加熱箱的內(nèi)部。本發(fā)明通過建立一套基于電子散斑技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，給集成電路試件施加溫度應(yīng) 力，測(cè)量集成電路試件封裝的離面位移隨溫度變化規(guī)律，找出集成電路試件失效機(jī)理發(fā)生 變化的溫度點(diǎn)進(jìn)而確定其失效機(jī)理一致的溫度范圍；接下來根據(jù)失效機(jī)理一致溫度范圍內(nèi) 集成電路試件的離面位移變化規(guī)律來提取其失效激活能；最后結(jié)合阿倫尼斯模型和累積失 效模型建立壽命預(yù)測(cè)模型，得出該集成電路試件不同溫度環(huán)境下的工作壽命。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、解決了加速壽命試驗(yàn)過程中，因集成電路試件失效機(jī)理發(fā)生變化而給可靠性壽 命預(yù)測(cè)帶來的誤判問題，該研究成果對(duì)電子產(chǎn)業(yè)，特別是I C行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量控制有著重要 作用；2、本發(fā)明直接對(duì)成品進(jìn)行測(cè)量，可獲得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，克服了理論分析與實(shí)際制 造封裝產(chǎn)品之間的誤差，具有測(cè)量靈敏度高，精度高、數(shù)據(jù)可靠等特點(diǎn)；3、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示，不需要降溫過程，同時(shí)克服了環(huán)境試驗(yàn)時(shí)間久、 需求樣品多的缺點(diǎn)，可以快速分析集成電路試件的可靠性以及預(yù)測(cè)其壽命。
圖1為本發(fā)明的原理示意圖；圖2為本發(fā)明測(cè)試系統(tǒng)原理圖；圖3為離面位移隨溫度變化的曲線圖；圖4為失效機(jī)理一致判別曲線圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供一種基于電子散斑技術(shù)預(yù)測(cè)集成電路工作壽命的方法，如圖1所示， 包括如下步驟1)建立一套基于電子散斑技術(shù)的光學(xué)測(cè)試平臺(tái)，并將集成電路試件放置在搭建好 的光學(xué)測(cè)試平臺(tái)上，利用溫控系統(tǒng)給集成電路試件施加序進(jìn)溫度應(yīng)力，同時(shí)給試件施加正 常水平的恒定電應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量熱應(yīng)力條件下集成電路封裝的離面位移，其原理如圖2所示。在本發(fā) 明優(yōu)選實(shí)施例中光學(xué)測(cè)試平臺(tái)主要由激光器、分束鏡、2個(gè)反射鏡、2個(gè)擴(kuò)束鏡、成像透鏡、 合束棱鏡、電耦合元件、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成。激光器發(fā)出的激光經(jīng)分束鏡后得到兩路 光，其中一路經(jīng)第一擴(kuò)束鏡擴(kuò)束濾波后，照射到集成電路試件的表面反射后形成物光；從分 束鏡得到的另一束光作為參考光，該參考光經(jīng)第一反射鏡和第二反射鏡的反射后以及第二 擴(kuò)束鏡擴(kuò)束濾波后，與經(jīng)過成像透鏡后的物光在棱鏡處匯合，兩束光照射在電耦合元件靶面上；當(dāng)上述兩束光的光程相等時(shí)，則會(huì)在電耦合元件的靶面上干涉，電耦合元件把光信號(hào) 轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)圖像采集卡的采集及處理后，得到清晰的散斑條紋信息。用于給集成電路 試件進(jìn)行熱加載的溫控系統(tǒng)為加熱箱，集成電路試件被一夾持件夾持放置在該加熱箱的內(nèi) 部。實(shí)驗(yàn)中需保證集成電路試件封裝離面位移隨溫度變化關(guān)系的準(zhǔn)確，因此夾持件在夾持 集成電路試件時(shí)，其夾持方法能夠不影響集成電路試件的自由變形。另外，集成電路試件表 面的反射光束也應(yīng)與電耦合元件的靶面垂直。本發(fā)明所采用的加速壽命試驗(yàn)中，所施加的溫度應(yīng)力可以為恒定應(yīng)力、步進(jìn)應(yīng)力 或序進(jìn)應(yīng)力中的一種。由于序加應(yīng)力實(shí)驗(yàn)具有高效率、成本低等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例 中，溫控系統(tǒng)給集成電路試件施加的是序進(jìn)的加速溫度應(yīng)力。2)記錄集成電路試件的離面位移隨溫度變化的規(guī)律，所得離面位移隨溫度變化的 曲線圖如圖3所示。設(shè)物體沿Z方向(即沿與物面垂直方向)有位移Δ S，理論上證明，變形前后散斑
的位相變化為 式中θ為照射物面激光束的入射角，λ為光波長(zhǎng)。當(dāng)= (N為暗條紋級(jí) 數(shù))時(shí)，變化前后的散斑圖像完全相同。通過計(jì)算機(jī)圖像處理將記錄存儲(chǔ)的變形前散斑圖 與變形后的斑圖相減，得到暗條紋位置，于是AS = Νλ /[(1+cos θ )]為了使光路對(duì)離面位移敏感，調(diào)節(jié)物光的入射角θ到很小，盡量垂直于物面，這 時(shí)COS θ 1，這樣暗條紋的離面位移與波長(zhǎng)存在近似關(guān)系Δ S = N λ /2式中波長(zhǎng)為632. 8nm。3)根據(jù)步驟2)所得離面位移隨溫度數(shù)據(jù)，擬合In(ASZt2Sci)和-1/T曲線即 其中A' = A/S0, A為一常數(shù)值，S0為芯片表面初始位移值，Δ S為離面位移變化 值，T為測(cè)試時(shí)的溫度，k波爾茲曼常數(shù)，j為電流密度，V為工作電壓值，η為電流密度冪指 數(shù)因子，m為電壓冪指數(shù)因子，Q為失效激活能，β為溫度變化率；上述曲線即為失效機(jī)理一 致判別曲線，該曲線的拐點(diǎn)位置即為失效機(jī)理變化的溫度點(diǎn)，由此曲線即可得出失效機(jī)理 一致的溫度范圍。如圖4反應(yīng)論模型指出物體的損壞和退化，從微觀上來看都是由原子、分子的變化引起 的，由于電、熱、機(jī)械應(yīng)力引起了內(nèi)部的平衡狀態(tài)變化、化學(xué)變化、物體結(jié)構(gòu)變化等，這些反 應(yīng)促使了失效的產(chǎn)生。這些失效表現(xiàn)為氧化、疲勞、電解等失效機(jī)理。一般，把對(duì)物體朝著 有害方向發(fā)展的反應(yīng)積累到一定程度時(shí)，失效就發(fā)生，這樣的模型就叫反應(yīng)論模型。根據(jù)反 應(yīng)論指出微電子器件從正常狀態(tài)走向失效的過程中，存在著一個(gè)個(gè)的能量勢(shì)壘，跨過這個(gè) 勢(shì)壘的能量是由外界環(huán)境來提供的，這個(gè)能量勢(shì)壘就叫做激活能。越過能量勢(shì)壘發(fā)生反應(yīng) 的頻率是按波爾茲曼分布的，這個(gè)反應(yīng)速率k與溫度的關(guān)系是用Arrhenius模型來描述。
物體發(fā)生反應(yīng)的速率與所處的溫度之間遵循如下模型^T =A exP(-kT)…
dt (1)式中M為物體的失效敏感參數(shù)，t為反應(yīng)時(shí)間，dM/dt為失效參數(shù)的退化速率，A為 常數(shù)，Q為失效激活能，k為波爾茲曼常數(shù)，T(K)為實(shí)驗(yàn)溫度。上述模型廣泛應(yīng)用在集成電路試件的失效是由單一的溫度應(yīng)力造成的。當(dāng)需要 同時(shí)考慮電流和電壓等電應(yīng)力給集成電路試件造成失效時(shí)，一般應(yīng)用廣義的Arrhenius模 型^ = AfVm ^vi-QIkT)
dt (2)式中j為電流密度，η為電流密度冪指數(shù)因子，V為電壓，m為電壓冪指數(shù)因子。設(shè)參數(shù)變化前初始值為M0則上式化簡(jiǎn)為^ = ATVm exp(-Q/kT)dt
Mo(3)其中 A' = A/M0在本發(fā)明中給集成電路試件進(jìn)行序進(jìn)的溫度應(yīng)力加載方式，在經(jīng)歷時(shí)間t后，集 成電路試件的溫度T(K)為T = T0+ β t+ Δ T (4)Ttl為實(shí)驗(yàn)的起始溫度，β為給集成電路試件施加的溫升速率，ΔΤ是集成電路試 件結(jié)溫與殼溫的溫差，對(duì)上式求導(dǎo)得dT = β dt (5)帶入(3)后進(jìn)行積分得^ =fcxp(-Q/kT)dT
Μο β K(Q)Q的單位為電子伏特eV = 1. 60217e_19，波爾茲曼常數(shù)k = 1. 38065e_23
一般情況下Q/kT >> 1 上式積分得
rT
-^-)dT=[T2 εχρ(-ρ/Α:Γ)-7；2 exp(-0/AT。)](7)因?yàn)閒exp(-Qi/kT) Tfexp(-Q/々7；)故上式第二項(xiàng)可以省略如(τ = 500Κ,T0 =400Κ, Q=L OeV, T2exp (-Q/kT) /T0exp (-Q/kT0) ] ^ 519. 1)因此(6)式積分后得
AM A'kT2fVm . η/,τ.— =-^^ exp(-0 / kT)
K PQ(8)兩邊取對(duì)數(shù)整理得
、，Md、 , Q^ 1 , ,AkjnVm^ 「00691~) = (-—)— + 1η(J-——)
L0069」 V2M0 V K T PQ J(9) 在此試驗(yàn)中電流和電壓給定的都是正常的應(yīng)力水平，且電壓和電流保持恒定，與
8溫度應(yīng)力無關(guān)，溫升速率是恒定的常數(shù)，在失效機(jī)理保持一致的前提下，Q值為恒定常數(shù)，所 以In(A' kjnVm/i3Q)可以看作恒定的常數(shù)。對(duì)方程兩邊取對(duì)數(shù)，得出失效敏感參數(shù)的對(duì)數(shù) 與集成電路試件溫度的負(fù)倒數(shù)成線性關(guān)系，對(duì)溫度負(fù)倒數(shù)(-1/T)和測(cè)得的失效敏感參數(shù) 的對(duì)數(shù)In (AMZt2Mci)進(jìn)行擬合，擬合曲線斜率發(fā)生變化則代表其失效機(jī)理改變。因此驗(yàn)證 其失效機(jī)理一致的溫度范圍，只需找到曲線的拐點(diǎn)。 本發(fā)明以離面位移為失效敏感參數(shù)時(shí)，只需用位移S代替以上公式(9)中的M，則 得到本發(fā)明所用的離面位移滿足的公式 上述曲線的拐點(diǎn)位置即為失效機(jī)理變化的溫度點(diǎn)，由此可得出失效機(jī)理一致的溫 度范圍；4)根據(jù)在失效機(jī)理一致的溫度范圍內(nèi)測(cè)得的離面位移提取出集成電路試件的失 效激活能。加速壽命試驗(yàn)的前提是保證集成電路試件失效機(jī)理一致的條件下，通過施加高應(yīng) 力加速集成電路試件的失效，從而獲得集成電路試件正常應(yīng)力條件下的壽命特征，而加速 試驗(yàn)過程中，過高的應(yīng)力往往促使著集成電路試件多失效機(jī)理的出現(xiàn)，導(dǎo)致獲得的壽命數(shù) 據(jù)不能代表真實(shí)壽命，所以對(duì)集成電路試件的可靠性壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)首先要經(jīng)過失效機(jī)理 的判別。根據(jù)離面位移的在加速溫度應(yīng)力條件下的變化規(guī)律，即可確定集成電路試件失效 機(jī)理改變的溫度點(diǎn)，根據(jù)離面位移變化規(guī)律擬合的曲線，發(fā)現(xiàn)擬合曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)說明集成 電路試件失效機(jī)理發(fā)生變化，所以接下來預(yù)測(cè)的集成電路試件壽命，是保證了失效機(jī)理一 致的溫度范圍內(nèi)提取集成電路試件的失效激活能，這樣預(yù)測(cè)的集成電路試件壽命更確切、 更接近集成電路試件的真實(shí)壽命。序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)中，由于對(duì)器件施加的應(yīng)力隨時(shí)間變化而變化，公式(1) 左邊的參數(shù)的退化速率也是隨時(shí)間的變化而變化。對(duì)同一失效機(jī)理的兩個(gè)不同時(shí)間段進(jìn)行 積分，可以得到兩個(gè)不同時(shí)段的退化量Δ&、Δ S2，在公式2中用S代替M積分得
對(duì)樣品施加恒定的電應(yīng)力，對(duì)測(cè)得不同段的退化量AS” AS2相比，即可獲得激活 能提取的公式
(13)利用積分定義編寫計(jì)算機(jī)程序即可算出激活能值。公式(13)中，T1 T2和T3 T4為同一失效機(jī)理下的兩個(gè)不同的區(qū)間段AS1為1\ 1~2區(qū)間段內(nèi)的離面位移變化量，AS2 為為T3 T4區(qū)間段內(nèi)的離面位移變化量，S1為T1對(duì)應(yīng)的離面位移值，S2為T3對(duì)應(yīng)的離面 位移值，Q為失效激活能，k波爾茲曼常數(shù)，T為測(cè)試時(shí)的溫度；5)將上述求出的失效激活能代入下述壽命預(yù)測(cè)模型，即
得出不同溫度Ti條件下集成電路試件的壽命τ，其中T' i T' 2溫度范圍內(nèi)的 失效機(jī)理與常溫條件Ti 一致，Q為失效激活能，β為溫度變化率，k波爾茲曼常數(shù)，T為測(cè) 試時(shí)的溫度。Nelson提出的累積失效模型集成電路試件的剩余壽命僅僅與集成電路試件當(dāng) 時(shí)的損傷情況和將要對(duì)其施加的應(yīng)力條件有關(guān)，而與其損傷是如何積累的無關(guān)。根據(jù)此原 理，集成電路試件加速條件下和正常工作條件下，造成集成電路試件的損傷累積量相等時(shí)， 所不同的僅僅是加速系數(shù)不同，即參數(shù)的退化速率不同。根據(jù)廣義的阿侖尼斯模型
(15)已知集成電路試件工作在序進(jìn)的溫度應(yīng)力條件下，在經(jīng)歷時(shí)間t后，集成電路試 件的溫度T(K)為T = T0+β t+Δ T (16)Ttl為實(shí)驗(yàn)的起始溫度，β為給半導(dǎo)體集成電路試件施加的溫升速率，ΔΤ是集成 電路試件結(jié)溫與殼溫的溫差，對(duì)上式求導(dǎo)得dT = β dt (17)Δ M設(shè)為集成電路試件在溫度T1～T2之間達(dá)到的累積失效量，設(shè)參數(shù)變化前初始
值為Mtl根據(jù)式(6)推理過程有 其中 A' = Α/Μ0本發(fā)明需要外推正常工作條件下半導(dǎo)體集成電路試件的壽命，相當(dāng)于給集成電路 試件施加恒定的溫度應(yīng)力Ti, AMi設(shè)為集成電路試件工作在溫度Ti下的累積失效量，同理 設(shè)參數(shù)變化前初始值為Mtl，根據(jù)公式(3)積分有
(19)不論在何種加速應(yīng)力條件下，集成電路試件的失效判據(jù)是相同的，集成電路試件 失效前積累的失效能量相同因此有
(20)
(21) τ為集成電路試件工作在溫度為Ti條件下的壽命,7； Λ'
α·τ鄉(xiāng)(-Q/kTw τ = ^β_ (22)
AjnVm exp(-0/A:7；)
fexp(-0 師Γτ = 3--(23)
^expi-QfkTi)由于上述步驟中提取失效激活能的溫度范圍的失效機(jī)理與集成電路試件在常溫 下的失效機(jī)理一致，因此根據(jù)離面位移變化值提取出失效激活能Q，即可得出集成電路試件 正常溫度應(yīng)力條件的工作壽命值。公式(23)中的T1 T2區(qū)間與公式(13)中的T1 T2區(qū)間可以相同，也可以不相 同，因此為了以示區(qū)別，公式(23)可以改寫為
_ r JexpC-Q/^(24)
^expi-QZkTi) 其中，T' i T' 2溫度范圍內(nèi)集成電路的失效機(jī)理與常溫工作環(huán)境溫度Ti的失 效機(jī)理一致，Q為失效激活能，β為溫度變化率，k波爾茲曼常數(shù)，T為測(cè)試時(shí)的溫度。
權(quán)利要求
基于電子散斑技術(shù)預(yù)測(cè)集成電路工作壽命的方法，包括如下步驟1)建立一套基于電子散斑技術(shù)的光學(xué)測(cè)試平臺(tái)，并將集成電路試件放置在搭建好的光學(xué)測(cè)試平臺(tái)上，利用溫控系統(tǒng)給集成電路試件施加序進(jìn)溫度應(yīng)力，同時(shí)給試件施加正常水平的恒定電應(yīng)力；2)記錄集成電路試件的離面位移隨溫度變化的規(guī)律曲線；其特征在于還包括有如下步驟，3)根據(jù)步驟2)所得離面位移隨溫度變化的數(shù)據(jù)，擬合得ln(ΔS/T2S0)和 1/T曲線，即 <mrow><mi>ln</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mi>ΔS</mi><mrow> <msup><mi>T</mi><mn>2</mn> </msup> <msub><mi>S</mi><mn>0</mn> </msub></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac><mi>Q</mi><mi>K</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <mn>1</mn> <mi>T</mi></mfrac><mo>+</mo><mi>ln</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <msup><mi>A</mi><mo>′</mo> </msup> <mi>k</mi> <msup><mi>j</mi><mi>n</mi> </msup> <msup><mi>V</mi><mi>m</mi> </msup></mrow><mi>βQ</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中A′＝A/S0，A為一常數(shù)值，S0為芯片表面初始位移值，ΔS為離面位移變化值，T為測(cè)試時(shí)的溫度，k波爾茲曼常數(shù)，j為電流密度，V為工作電壓值，n為電流密度冪指數(shù)因子，m為電壓冪指數(shù)因子，Q為失效激活能，β為溫度變化率；上述曲線即為失效機(jī)理一致判別曲線，該曲線的拐點(diǎn)位置即為失效機(jī)理變化的溫度點(diǎn)，由此曲線即可得出失效機(jī)理一致的溫度范圍；4)通過下式提取出在失效機(jī)理一致的溫度范圍內(nèi)集成電路試件的失效激活能， <mrow><mfrac> <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mi>S</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>S</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mi>S</mi> <mn>2</mn></msub><msub> <mi>S</mi> <mn>1</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msubsup> <mo>∫</mo> <msub><mi>T</mi><mn>1</mn> </msub> <msub><mi>T</mi><mn>2</mn> </msub></msubsup><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>Q</mi> <mo>/</mo> <mi>kT</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>dT</mi> </mrow> <mrow><msubsup> <mo>∫</mo> <msub><mi>T</mi><mn>3</mn> </msub> <msub><mi>T</mi><mn>4</mn> </msub></msubsup><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>Q</mi> <mo>/</mo> <mi>kT</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>dT</mi> </mrow></mfrac> </mrow>其中，T1～T2和T3～T4為同一失效機(jī)理下的兩個(gè)不同的區(qū)間段ΔS1為T1～T2區(qū)間段內(nèi)的離面位移變化量，ΔS2為為T3～T4區(qū)間段內(nèi)的離面位移變化量，S1為T1對(duì)應(yīng)的離面位移值，S2為T3對(duì)應(yīng)的離面位移值，Q為失效激活能，k波爾茲曼常數(shù)，T為測(cè)試時(shí)的溫度；5)將上述求出的失效激活能代入下述壽命預(yù)測(cè)模型，即 <mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msubsup> <mo>∫</mo> <msubsup><mi>T</mi><mn>1</mn><mo>′</mo> </msubsup> <msubsup><mi>T</mi><mn>2</mn><mo>′</mo> </msubsup></msubsup><mi>exp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>Q</mi> <mo>/</mo> <mi>kT</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>dT</mi> </mrow> <mrow><mi>βexp</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>Q</mi> <mo>/</mo> <mi>k</mi> <msub><mi>T</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>得出不同溫度Ti條件下集成電路試件的工作壽命τ，其中T′1～T′2溫度范圍內(nèi)集成電路的失效機(jī)理與常溫工作環(huán)境溫度Ti的失效機(jī)理一致，Q為失效激活能，β為溫度變化率，k波爾茲曼常數(shù)，T為測(cè)試時(shí)的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子散斑技術(shù)預(yù)測(cè)集成電路工作壽命的方法，其特征在 于所述步驟4)中，在對(duì)集成電路試件的失效激活能進(jìn)行提取時(shí)，還包括根據(jù)離面位移數(shù) 據(jù)對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行判別，保證集成電路試件在所施加的溫度應(yīng)力條件下失效機(jī)理與常溫工 作條件的失效機(jī)理一致的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于電子散斑技術(shù)預(yù)測(cè)集成電路工作壽命的方法，其特 征在于所述光學(xué)測(cè)試平臺(tái)主要由激光器、分束鏡、2個(gè)反射鏡、2個(gè)擴(kuò)束鏡、成像透鏡、合束 棱鏡、電耦合元件、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成；激光器發(fā)出的激光經(jīng)分束鏡后得到兩路光， 其中一路經(jīng)第一擴(kuò)束鏡擴(kuò)束濾波后，照射到集成電路試件的表面反射形成物光；從分束鏡 得到的另一束光作為參考光，該參考光經(jīng)第一反射鏡和第二反射鏡的反射以及由第二擴(kuò)束 鏡擴(kuò)束濾波后，與經(jīng)過成像透鏡后的物光在棱鏡處匯合，兩束光照射在電耦合元件靶面上；當(dāng)上述兩束光的光程相等時(shí)，則會(huì)在電耦合元件的靶面上干涉，電耦合元件把光信號(hào)轉(zhuǎn)化 為電信號(hào)，經(jīng)圖像采集卡的采集及處理后，得到清晰的散斑條紋信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于電子散斑技術(shù)預(yù)測(cè)集成電路工作壽命的方法，其特征在 于所述集成電路試件表面反射光線與電耦合元件的靶面向垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子散斑技術(shù)預(yù)測(cè)集成電路工作壽命的方法，其特征在 于所述溫控系統(tǒng)為加熱箱，集成電路試件夾持放置在該加熱箱的內(nèi)部。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于電子散斑技術(shù)預(yù)測(cè)集成電路工作壽命的方法，通過建立一套基于電子散斑技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，給集成電路試件施加溫度應(yīng)力，測(cè)量集成電路試件封裝的離面位移隨溫度變化規(guī)律，找出集成電路試件失效機(jī)理發(fā)生變化的溫度點(diǎn)進(jìn)而確定其失效機(jī)理一致的溫度范圍；接下來根據(jù)失效機(jī)理一致溫度范圍內(nèi)集成電路試件的離面位移變化規(guī)律來提取其失效激活能；最后結(jié)合阿倫尼斯模型和累積失效模型建立壽命預(yù)測(cè)模型，得出該集成電路試件不同溫度環(huán)境下的工作壽命。
文檔編號(hào)G01R31/303GK101915893SQ20101022903
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月15日
發(fā)明者宋美杰, 張文濤, 熊顯名, 袁縱橫 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)