可靠性的定義是系統(tǒng)或元器件在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。從集成電路的誕生開始，可靠性的研究測試就成為ic設(shè)計、制程研究開發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)中的一個重要部分。

　　jack kilby 在1958年發(fā)明了集成電路，第一塊商用單片集成電路在1961年誕生；1962年9月26日，第一屆集成電路方面的專業(yè)國際會議在美國芝加哥召開。當時會議名稱為“電子學失效物理年會”；1967年,會議名稱改為“可靠性物理年會”；1974年又改為“國際可靠性物會議”(irps) 并延續(xù)至今。irps已經(jīng)發(fā)展成集成電路行業(yè)的一個盛會，而可靠性也成為橫跨學校研究所及半導體產(chǎn)業(yè)的重要研究領(lǐng)域。

　　集成電路可靠性評估體系

　　經(jīng)過四十多年的發(fā)展，集成電路的可靠性評估已經(jīng)形成了完整的、系統(tǒng)的體系，整個體系包含制程可靠性、產(chǎn)品可靠性和封裝可靠性。

　　制程可靠性評估采用特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)對集成電路中制程相關(guān)的退化機理 (wearout mechanism)進行測試評估。例如，我們使用在芯片切割道(scribe line)上的測試結(jié)構(gòu)來進行 hci ( hot carrier injection) 和 nbti (n
egative bias temperature instability) 測試，對器件的可靠性進行評估。

　　產(chǎn)品可靠性和封裝可靠性是利用真實產(chǎn)品或特殊設(shè)計的具有產(chǎn)品功能的tqv (technology qualification vehicle) 對產(chǎn)品設(shè)計、制程開發(fā)、生產(chǎn)、封裝中的可靠性進行評估。

　　集成電路可靠性工作者的主要任務

　　可靠性定義中“規(guī)定的時間”即常說的“壽命”。根據(jù)國際通用標準，常用電子產(chǎn)品的壽命必須大于10年。 顯然，我們不可能將一個產(chǎn)品放在正常條件下運集成電路可靠性介紹行10年再來判斷這個產(chǎn)品是否有可靠性問題�？煽啃栽u估采用“加速壽命測試”(accelerated life test, alt)。 把樣品放在高電壓、大電流、高濕度、高溫、較大氣壓等條件下進行測試，然后根據(jù)樣品的失效機理和模型來推算產(chǎn)品在正常條件下的壽命。通常的測試時間在幾秒到幾百小時之內(nèi)。所以準確評估集成產(chǎn)品的可靠性，是可靠性工作者一個最重要的任務。當測試結(jié)果表明某一產(chǎn)品不能滿足設(shè)定的可靠性目標，我們就要和產(chǎn)品設(shè)計、制程開發(fā)、產(chǎn)品生產(chǎn)部門一起來改善產(chǎn)品的可靠性，這也是可靠性工作者的另一重要職責。當產(chǎn)品生產(chǎn)中發(fā)生問題時， 對產(chǎn)品的可靠性風險評估是可靠性工作者的第三個重要使命。

為了達成這三項使命，我們必須完成以下6個具體工作：

1）研究理解產(chǎn)品失效機理和壽命推算模型；

2）設(shè)計和優(yōu)化測試結(jié)構(gòu)；

3）開發(fā)和選擇合適的測試設(shè)備、測試方法和程序；

4）掌握可靠相關(guān)的統(tǒng)計知識，合理選擇樣品數(shù)量和數(shù)據(jù)分析方法；

5）深入了解制程參數(shù)和可靠性之間的關(guān)系；

6）掌握失效分析的基本知識，有效利用各種失效分析工具。

　　這6個方面的工作相互影響依賴。對失效機理和生產(chǎn)制程的理解是最基本的，只有理解，才能設(shè)計出比較合適的測試結(jié)構(gòu)，選擇適當?shù)臏y試與數(shù)據(jù)分析方法，并采用合適的壽命推算模型，以做出準確的壽命評估。只有深入理解制程參數(shù)和失效機理之間的互相關(guān)系，才能有效地掌握方向、訂下重點、分配資源，來改善產(chǎn)品的可靠性。

　　集成電路可靠性面臨的挑戰(zhàn)

　　九十年代以來，集成電路技術(shù)得到了快速發(fā)展，特征尺寸不斷縮小，集成度和性能不斷提高。為了減小成本，提高性能，集成電路技術(shù)中引入大量新材料、新工藝和新的器件結(jié)構(gòu)。這些發(fā)展給集成電路可靠性的保證和提高帶來了巨大挑戰(zhàn)。

　　1)隨著特征尺寸的縮小，工藝中的一些關(guān)鍵材料已接近物理極限，其失效模型發(fā)生了改變，這對測試方法以及壽命評估都帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。 同時，一部分失效機理的可靠性問題變得非常嚴重。例如nbti報道于1966年，對較大尺寸的半導體器件，其對性能影響并不大；然而隨著器件尺寸的減小，加在柵極氧化層上的電場越來越高，工作溫度也相應提高，器件對工作閥值電壓越來越敏感，nbti已成為影響集成電路可靠性的關(guān)鍵問題。

　　2 )新材料和新工藝的引入導致了新的可靠性問題。例如為了減小金屬互連對器件速度的延遲，低k和超低k介質(zhì)被引入到金屬互連制程中。由于其機械、電學和熱學性能遠遠低于傳統(tǒng)的二氧化硅材料，vbd (breakdown voltage)和tddb (time dependant dielectric breakdown) 壽命，以及由低k材料和高密度倒裝芯片封裝引起的新失效機理cpi (chip package interaction)已成集成電路可靠性的制約因素。

　　3 )尺寸的縮小和集成度的提高對可靠性的測試帶來了挑戰(zhàn)。尺寸縮小導致對esd（electrostatic discharge）變得更加敏感。封裝測試中的e s d問題會嚴重影響可靠性評估的成功率和準確性。集成度的提高也使一些常規(guī)可靠性評估因時間變長而顯得非常困難。如4g flash記憶體的傳統(tǒng)100k耐久性測試會超過2千小時, 嚴重影響新制程可靠性評估的及時完成。

　　結(jié)論

　　集成電路