集成电路三温测试数据在失效分析中的应用

李兴鸿，赵俊萍，赵春荣

（北京时代民芯科技有限公司，北京100076）

0 引言

在集成电路的失效分析中，我们经常遇到与温度相关的参数失效案例。我们知道，失效分析结论是寻找故障产生根源的重要依据。因此，对失效分析结论的正确描述非常重要。在集成度高、金属布线层数多的情况下，光学非可见缺陷成为常态。在这种情况下，失效分析结论经常是根据电测试结果并结合器件结构的知识推论出来的。为了全面把握事实的真相，保证失效分析结论的正确性，深刻理解三温电参数的物理意义及影响因素是解释清楚参数失效根本原因的前提。器件三温参数每天都在测试，发生失效时要解释清楚原因则不容易找到切入点。基于这样的理解，本文将常见的三温测试数据与器件工艺参数结合起来进行综合的分析，为寻找能够引起器件参数失效的根本原因提供一些方法或思路。

1 测试数据示例

表1是0.5 μm标准CMOS集成电路工艺制造的某系列数字集成电路的三温电参数测试数据汇总表。表1中的数据均在规范规定的合格范围内，并列出了钳位电压、电源电压拉偏情况下的高低电平、延迟时间、电源电流和漏电流等十余项电参数。现在很多芯片和特征尺寸已小到90 nm，与长沟道器件的特性有所不同，但变化趋势未发现明显的区别。因此，本文讨论的例子仍具有代表性。（注：本文中除特殊说明外，低温为-55℃，用L代表；常温为25℃，用N代表；高温为125℃，用H代表。）

表1 某数字CMOS集成电路三温测试数据t/℃

2 测试数据在失效分析中的应用

测试数据是器件性能的综合表征，反映了器件内部基本元器件的工作组态和性能。但是，测试数据与器件单元的物理结构和工艺之间的关系通常并非显而易见。器件单元的物理结构包括PN结深、杂质类型、杂质浓度分布、介质材料、金属材料、几何结构和工艺层次等，用PN结二极管、PMOS/NMOS单管和电阻等器件的基本参数表征。本章主要的目的就是希望通过大型测试设备的测试数据与器件的基本物理结构或参数建立联系，如电阻值、阈值电压、K因子、温度系数和PN结压降等。从失效分析的角度来考虑，这样的联系很重要，有利于与我们已知的基本单元相联系，从而有利于揭示失效机理。下面根据表1的数据，分8个方面进行深入的分析。

2.1 测试数据的综合判读

表1的电参数基本覆盖了一个数字集成电路的电特性。由于参数可测出并在合理的范围，参数变化量较小，具有预期的高低电平及正确的电平值，说明电路功能基本正确。将来即使有问题也是测试覆盖率的问题。

表1中输入高低电平的漏电流很小，高阻态漏电很小，小电流测试情况下的高低电平变化很小，这是由于测试设备的分辨率造成的，我们只知道很小，在合格范围内，但不能用这些数据进行推算。

2.2 钳位电压的应用

连通性测试和钳位电压的测试原理相同，只是施加的电流不同。钳位电压测试结构的等效电路如图1所示。图1为一个理想二极管Dj与串联电阻Rs的串联电路。Rs为半导体材料体电阻、金属布线电阻、键合丝、引线电阻和接触电阻的总和。钳位电压为从A到B加直流恒流I，AB两端的点位差。在IC的上拉钳位二极管中，A相当于输入端，B相当于电源端，而在IC的下拉钳位二极管中，A相当于地，B相当于输入。

图1 钳位电压等效电路

由图1我们可以得出：

可见，只要结合施加的电流I和测试到的钳位电压，就可计算出理想二极管的结压降和等效串联电阻。

常温下，由表1中的第1项和第2项测试结果，代入方程（1）得到：

解方程（2）和（3）可得常温下的PN结压降和串联电阻。同理可得高温和低温下的结压降和串联电阻，结果如表2所示。表2中也列出了温度系数，温度系数=（高温值－低温值）/温差。温度系数假定为线性关系，但实际是非线性的。这里的温度系数的意义在于表示了参数随温度的变化趋势。

表2 三温下钳位电压等效电路中的器件参数t/℃

由表2可以看出，PN结的结压降随温度的升高而下降，串联电阻随温度的升高而增加。

进一步地，还可根据二极管的正向电流公式计算出饱和电流及估算出结面积。

在二极管正向IV特性的曲线中，VDj相当于微小电流下的转折电压，串联电阻相当于转折后斜线的斜率。在失效分析中，我们有了这些数值的基本量化概念后，可以根据实测的正向IV特性曲线来判断是否是PN结有问题还是连线系统有问题。在进行统计后，还可推论出是个别问题还是批次性问题。所以简单参数也有大用途。

2.3 输入高低电平漏电流及高阻态漏电流的应用

在现代集成电路的设计和工艺中，参数的一致性是很好的。泄漏电流参数在测试数据中应该都很小，特别是结深深、特征尺寸大的器件更是如此。器件详细规范中给出的参数范围都较宽，因此，不要放过虽然合格，但参数异常大的数据，应找出其异常的原因。比如要说明是测试分辨率问题还是其他问题。对非测试问题一定要深入分析，判断出是缺陷引起还是工艺参数的涨落引起，抑或是版图引起，此时可能要应用一系列微分析方法来分析。漏电流的测试是在高低电平下进行的，结合钳位电压或连通性的低压测试结果还可进一步地定位漏电位置，比如是PN结受损还是MOS管低压穿通等。

2.4 输出高低电平的应用

我们可以从高低电平来了解N/PMOS管的开通电阻以及增益，还可根据高低电平随温度变化来了解噪声容限的变化关系。

2.4.1 K因子

在测试VOL时，NMOS的VDS很小；在测试VOH时，PMOS的VDS很小。它们都满足VDS＜VGS-VT的条件，所以测试VOL时NMOS处于线性区、测VOH时PMOS处于线性区。根据MOS管的线性区电流电压方程[1]：

结合测试设备测试施加和测量的数据，可计算出K因子，利用K因子可计算出饱和区的电流来。K因子是沟道载流子迁移率、MOS栅电容和沟道长宽比的乘积，也叫增益因子。因此，知道K因子后可以得到更丰富的器件工艺和结构信息。

下面是K因子的估算方法和估算值。

在表1中我们可以看出，在50 μA的小电流下，CMOS的输出高电平接近电源电压VDD，低电平接近0 V。由于CMOS输入漏电流很小，所以内部驱动级的高电平基本是VDD，低电平是0 V。所以输出NMOS管及PMOS管的∣VGS∣就是VDD。此时 NMOS 的 VOL就是 VDS，PMOS 的 VDS=VDD－VOH。而IDS就是测试设备施加的电流。阈值电压可通过测试晶圆上的样管获得，其值与工艺和结构相关，本例取阈值电压VT=0.8 V。

根据表1中的数值，结合上述VGS及VT，代入方程（4），可得K因子。本例I/O部位的N/PMOS的K因子约为25 mA/V2。

据外围管子的K因子还可推算出内部小管子的K因子，了解芯片内部电流的分布情况，对失效原因的分析有帮助。

2.4.2 开通电阻

我们定义开通电阻为沟道完全反型时的VDS与IDS的比值，可由表1导出。开通电阻的计算结果如表3、4所示。尽管从方程（4）来看，似乎开通电阻和VDS有关系，但从表3中5.50 V电源电压的情况来看，同一温度下不同电流的开通电阻的差异较小，VDS的影响很小，所以我们认为影响开通电阻的主要因素是温度。

表3 NMOS管的开通电阻（单位：Ω）

表4 PMOS管的开通电阻（单位：Ω）

从表3、4可以看出，在小电源电压下，开通电阻稍大；在同等电压下，随电流的不同，N管的开通电阻基本不变，P管的开通电阻会变小。

由于开通电阻的变化，在电源电压不变的情况下，根据欧姆定律，电流也将等比例地变化。所以高温下的开通电流比常温下的开通电流将减小近20%，NMOS低温下的开通电流比常温下的开通电流将增大近12%，PMOS开通电流在低温下增加不多，在4%以下。

从表3、4还可以看出，在匹配设计下，PMOS和NMOS的开通电阻可以接近，高温下的温度系数也可以比较接近，但低温下的温度系数仍有较大的差别，低温下P管的温度系数比N管的温度系数要小一倍以上。

由于动态功耗与瞬态开通电流成正比，高温下动态功耗将比常温小20%。这与其它大量电路的三温统计结果相同。

开通电阻与MOS管的偏置、沟道掺杂、阈值电压、几何尺寸和沟道或PN结等因素有关，因此从开通电阻可以获得丰富的失效分析信息。

2.4.3 噪声容限

CMOS直流噪声容限的定义是根据CMOS的转移特性来定义的，噪声容限有两个[2]：

高电平直流噪声容限=VOHmin-VIHmin=VOHmin-0.7 VCC；

低电平直流噪声容限=VILmax-VOLmax=0.3 VCC-VOLmax。

而 VOHmin=VCC－（PMOS 的 VDS），VOLmax=NMOS管 VDS=VOL，所以知道了VOH和VOL就可知道噪声容限与管子的温度变化的关系，也就知道了N/PMOS的VDS随温度变化关系。可由表1得到表5的VDS随温度变化的关系。

从表5中我们可以看出，随温度的上升，在同等电流下，线性区的P/NMOS的VDS会增加。低温到常温阶段的增加量比常温到高温阶段的增加量小。PMOS在低温到常温阶段的增加量比NMOS要少2/3。高温阶段的增量比较大，最大可达20%。这表明CMOS高温下的噪声容限下降比较厉害，低温下的噪声容限有所上升。也就是高温下器件更容易受到外部干扰而导致功能异常或损坏。

表5 VDS随温度的变化关系（未标单位的电压单位V，电流单位mA）

2.5 延迟时间的应用

延迟时间的参数有很多，在表1中我们取了其中一个电源低拉偏的延迟时间。三温变化情况如表6所示。

表6 延迟时间与温度的关系

从表6可以看出，延迟时间的温度系数是正温度系数，也就是随温度的升高而变长，与其它参数相比，变化率并不大。在其它条件不变的情况下，按延迟时间与电阻及电容成正比关系考虑，电阻增大（电流减少）则要求寄生电容减少，也就是由此可推出电容的温度系数应该是负温度系数，这样才能保证延迟时间的低增长率。如延迟时间变化太大，则要深入分析影响原因，如不是器件本身失效引起（可通过其他参数测试结果验证），则是测试设备或参数设置发生变化引起。

3 结束语

测试数据能给我们带来丰富的信息。由于集成电路比较复杂，手工测试不现实，充分利用大型测试设备的功能，并综合应用测试数据才可能在短时间内得到失效分析结论。因此，从本文的三温测试数据我们可以计算出：各参数的温度系数；管脚与电源地之间的二极管正向压降和串联电阻，K因子，开通电阻，开通电流，直流噪声容限。通过分析计算，对这些参数的量值有了一个具体的概念，也更加明确了这些参数与温度及器件结构的关系。

对同类型基本单元库设计及同种工艺制造的电路，有了这些标杆后，对于失效件的比较分析就变得更加方便。在其它失效分析中还可依照本文论述的分析思路，有目的地进行一些计算、收集数据或补充测试。本文的分析方法还可用于反推测试数据是否可信，这是失效分析要进行的首要工作。本文描述的每一个小项尚可以根据分析的需要而深入地展开，经过类似这种方法的应用，对理清分析思路和揭示失效的根本原因有很大的帮助。

[1]高保嘉.MOS VLSI分析与设计[M].北京：电子工业出版社，2002.

[2]（美）韦克利（WAKERLY J F）.Digital design：principles and practices[M].3rded.北京：高等教育出版社，2007.