CN103955568A - 一种基于失效物理的mos器件可靠性仿真评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，包括以下步骤：步骤一：采集MOS器件相关参数；步骤二：进行失效模式、机理及影响分析；步骤三：建立CFD、FEA和故障预计模型；步骤四：开展温度、振动、电特性仿真分析；步骤五：进行应力损伤分析；步骤六：进行累积损伤分析；步骤七：考虑偏差进行参数随机化仿真；步骤八：利用竞争失效机制得到失效前时间向量：步骤九：评估器件的平均首发故障时间。本发明基于失效物理理论，从MOS器件可能失效的原因入手，通过分析获得器件潜在失效机理和对应失效物理模型，进行仿真分析确定器件使用应力，最后计算得到MOS器件使用条件下的平均首发故障时间。此方法属于MOS器件可靠性仿真评价技术领域。

Description

一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法

（一）技术领域：

本发明涉及一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，它基于失效物理的理论，从MOS器件实际使用过程中可能导致失效的热、电和机械等原因入手，进行失效模式、机理及影响分析获得MOS器件潜在失效机理和对应失效物理模型，通过仿真分析得到器件使用应力，最后通过数学计算得到MOS器件实际使用条件下的平均首发故障时间。此方法属于MOS器件可靠性仿真评价技术领域。 

（二）背景技术：

随着微电子技术和集成电路产业的迅速发展，微电子器件凭借其工艺简单、集成度高、可靠性好等优点已经应用于生活的各个方面。与此同时，高可靠也为微电子器件的可靠性评价带来了新的挑战。 

传统的微电子器件可靠性评价方法主要有：鉴定和质量一致性检验、加速寿命试验、晶片级可靠性评估等，但耗时长、成本高。目前国内外普遍开始研究基于失效物理（Physics of Failure,PoF）的元器件可靠性仿真评价。其中，德州仪器（Texas Instruments,TI）研究了通过仿真的方法评估微电子器件的热电效应，美国的南加州大学和加州大学伯克利分校研究了通过SPICE软件进行仿真评价的方法，马里兰大学CALCE中心主要研究如何对芯片单一失效机理下的微电子器件寿命进行评价。然而，分析可知，这些算法主要存在以下两方面问题：1、这些方法的分析对象为芯片，因此只考虑了芯片MOS结构中某一种或几种失效机理，对于实际使用过程中出现的大量封装互连失效未予以考虑；2、这些方法均只针对单一应力水平下单一失效机理的可靠性问题，与微电子器件的实际使用中经历的环境条件无关。为此，本方法以失效物理为理论基础，提出了一种考虑MOS器件在实际使用过程中经历的复杂应力条件下、综合芯片和封装的多种失效机理的可靠性仿真评价方法。 

（三）发明内容：

1、目的：本发明的目的是：提供一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，该方法考虑了MOS器件实际使用过程中面临的复杂的环境剖面以及多种失效机理。与传统的可靠性评价方法相比，该可靠性仿真评价方法时间短、成本低且便于实施。 

2、技术方案：本发明一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，它包括如下步骤： 

步骤一：数据采集 

在对MOS器件进行仿真分析和故障预计之前，首现需要对所研究对象有所了解，包括设计流程、制造工艺以及使用中所承受的环境条件等其他。同时，数据采集的准确与完整与否， 与后续仿真评价紧密关联。因此，MOS器件的数据采集作为可靠性仿真评价的关键步骤，将为后续仿真分析奠定基础。其内容主要包括MOS器件结构参数、电特性参数、环境应力参数和其他参数等。针对不同的信息，可以分别通过器件手册、器件设计文件、设计经验值、公式计算和相似产品等信息获得。 

步骤二：失效模式、机理及影响分析（FMMEA） 

失效模式、机理及影响分析构建于理解产品需求以及产品物理特性之间的关系、产品材料与载荷之间的交互作用，及其在使用条件下对产品故障敏感性的基础上。可以确定MOS器件所有潜在失效模式中的潜在失效机理和模型，并为失效机理进行优先级划分。 

对于MOS器件，首先需要进行系统定义，可按照结构划分为封装、键合和芯片三个等级。其次，按照不同的等级列出所有潜在的失效模式，分析失效原因和失效机理，同时确定常用失效物理模型。最后，对潜在失效机理进行评级，确定MOS器件使用过程中优先级最高的潜在失效机理作为后续重点分析对象。 

步骤三：应力仿真建模 

MOS器件建模分为CFD模型、FEA模型和故障预计模型。 

MOS器件的CFD模型是结合器件结构、材料热特性、功耗等信息建立的数值传热学模型，它充分描述了MOS器件的几何结构以及器件的产热和传热特性，CFD模型的准确建立是MOS器件局部温度参数能否准确获取的基础。 

MOS器件的FEA模型是结合器件结构、材料力学特性、重量等信息建立的有限元模型，它充分描述了MOS器件的几何结构以及器件的力学传递特性，FEA模型的准确建立是MOS器件局部应力应变参数能否准确获取的基础。 

MOS器件的故障预计模型是结合封装和芯片版图结构等信息建立的模型，它充分描述了MOS器件的几何结构以及器件的电路特性，故障预计模型的准确建立是MOS器件电性能参数能否准确获取的基础。 

步骤四：应力仿真分析 

应力参数指MOS器件常见失效机理的失效物理模型中涉及的元器件温度、应力、应变、湿度、电流等相关参数。这一步骤中主要开展温度仿真分析、振动响应仿真分析、电特性参数仿真分析，获得相关应力参数（如温度、应变等）。 

步骤五：应力损伤分析 

由应力仿真分析中获得的MOS器件的温度、湿度、应力、应变以及相关电性能参数，利用不同潜在失效机理的失效物理模型开展应力损伤计算。对于过应力型失效机理，只需通过失效物理模型判定仿真单元是否能够承受施加的应力，如果能，则可继续开展后续分析，反 之则判定MOS器件失效。对于耗损型失效机理，可以通过失效物理模型计算各个仿真单元考虑不同失效机理时在特定应力水平下的失效前时间或失效前循环次数。需要指出的是，应力损伤分析需要对MOS器件实际使用中经历的不同环境应力水平分别开展仿真计算。获得MOS器件各仿真单元在各应力水平下不同失效机理的失效前时间或循环次数。 

步骤六：累积损伤分析 

累积损伤分析是在应力损伤分析的基础上，结合MOS器件寿命周期经历的不同环境应力序列，分别使用加速因子法和累积损伤准则法进行计算，再通过对循环次数到时间的转换，获得典型MOS器件中各个仿真单元的单失效机理多应力水平下的失效前时间。 

加速因子法介绍如下： 

加速因子法主要用于解决电迁移、热载流子效应、栅氧化层经时击穿等MOS器件常见失效机理的累积损伤问题。加速因子（AF）的概念来源于加速试验，是指高应力水平下和常规应力水平下产品寿命特征的比值，用于描述加速的程度，当AF大于1时，表示产品通过提高应力S可以使产品的寿命缩短。其定义式为： 

${\mathrm{AF}}_i=\frac{t_{p,0}}{t_{p,i}}$

式中， 

t_p,0表示在应力水平S₀下产品的寿命特征； 

t_p,i表示在应力水平S_i下产品的寿命特征。 

借助加速试验中加速因子的概念，在此将MOS器件实际使用中的多应力水平序列转换为单一应力水平进行评价，之后由仿真单元单失效机理单应力水平下的失效前时间求解寿命剖面下可以循环的次数，进而得到产品实际使用条件下的失效前时间。 

对于温度升高或者下降的阶段： 

$t\_\mathrm{trans}={\∫}_{t_1}^{t_2}\mathrm{AF}\left(T\left(t\right)\right)d\left(t\right)$

对于温度恒定不变的阶段： 

t_trans=(t₂-t₁)×AF(T) 

式中， 

t_trans表示温度通过加速因子转换为T₀后的时间； 

t₁，t₂表示待转化的时间段，设t₂>t₁； 

T(t)表示温度变化阶段温度水平T随时间t变化的函数； 

AF(T)表示温度水平T转换为温度水平T₀时的加速因子。 

累积损伤准则法介绍如下： 

考虑到不同载荷序列见得相互作用，采用Corten-Dolan累积损伤法则求解随机振动疲劳的累积损伤问题。累积损伤公式如下： 

$N_g=N_1/\left[\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_i}{{\mathrm{\σ}}_1}\right)}^d\right]$

式中， 

Ng为构件在多级应力下的疲劳寿命； 

N₁为构件在载荷谱中最大一级应力单独作用下的等幅疲劳寿命； 

σ₁为多级应力谱中的最大应力； 

α_i为交变应力σ_i的循环数占载荷谱总循环数的百分比； 

m为应力级数； 

d为常数，对于高强度钢取4.8，其他取5.8。 

根据随机振动PSD谱，通过振动响应仿真分析可以获得各个应力水平MOS器件的振动响应，即引脚的应力最大点和统计平均频率。结合Steinberg提出的基于高斯分布的三区间法，对于应力水平序列，分析流程如下： 

(1)计算各个应力水平响应的统计平均频率(应力速度/应力)； 

(2)基于期望(工作)寿命和统计平均频率，计算1σ、2σ和3σ水平下的循环次数n₁、n₂和n₃； 

(3)基于S-N曲线查表得到N₁、N₂和N₃； 

(4)计算疲劳寿命。 

步骤七：参数随机化仿真 

MOS器件失效是外因和内因共同作用的结果。外因主要指元器件使用过程中所经历的环境条件；内因主要包括元器件封装和芯片的材料、元器件生产工艺引起的结构尺寸偏差等，其对器件寿命均有影响。 

本步骤中，对每一失效物理模型中内因和外因的相关参数进行Monte Carlo抽样，获得失效物理模型参数矩阵： 

$\mathrm{\θ}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\θ}}_{11},& {\mathrm{\θ}}_{12},& ...& {\mathrm{\θ}}_{1n}\\ {\mathrm{\θ}}_{21},& {\mathrm{\θ}}_{22},& ...& {\mathrm{\θ}}_{2n}\\ ...& & & \\ {\mathrm{\θ}}_{m1},& {\mathrm{\θ}}_{m2},& ...& {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

其中， 

M表示某一失效物理模型中随机化参数个数； 

n表示抽样次数。 

分别取每一列带入相应失效物理模型中计算，获得单机理大样本失效前时间或循环次数，通过对多个失效机理进行计算，得到不同失效机理的单应力水平下大样本失效前时间或循环次数矩阵如下： 

$\mathrm{TTF}=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{TTF}}_{11},& ...,& {\mathrm{TTF}}_{1i},& N_{1(i+1)},& ...,& N_{1n}\\ {\mathrm{TTF}}_{21},& ...,& {\mathrm{TTF}}_{2i},& N_{2(i+1)},& ...,& N_{2n}\\ ...& & & & & \\ {\mathrm{TTF}}_{k1},& ...,& {\mathrm{TTF}}_{\mathrm{ki}},& N_{k(i+1)},& ...,& N_{\mathrm{kn}}\end{array}\right]$

其中，k表示微电子器件中共有k中不同的潜在失效机理被考虑，如果某仿真单元不存在某失效机理，则对应的行全取0。 

对于每一元素再次进行累计损伤得到单失效机理多应力水平下的失效前时间矩阵： 

$t=\left[\begin{array}{cccc}{t}_{11},& t_{11}& ...,& t_{1n}\\ t_{21},& t_{21}& ...,& t_{2n}\\ ...& & & \\ t_{k1},& t_{k1}& ...,& t_{\mathrm{kn}}\end{array}\right]$

步骤八：竞争失效 

用步骤六中获得的失效前时间矩阵，考虑多种失效机理，利用竞争失效机制 

T_i=min(t_1i,t_2i,...,t_ki) 

通过参数拟合和拟合优度检验，得到MOS器件多失效机理多应力水平下的失效前时间向量： 

T=[T₁,T₂,...T_n] 

步骤九：可靠性评估 

利用步骤八获得的数据进行参数拟合以及拟合优度检验，得到MOS器件多失效机理多应力水平下的失效概率密度函数f(t)，及可求得MOS器件的平均首发故障时间(Mean Time to First Failure，MTTFF)。 

$\mathrm{MTTFF}=E\left(t\right)={\∫}_0^{+\∞}\mathrm{tf}\left(t\right)\mathrm{dt}$

（四）附图说明：

图1是本发明的实施步骤流程示意图 

图2是案例中所用器件 

图3是DIP封装引脚示意图 

图4是环境剖面 

图5是PCB板及器件的CAD模型（PCB板中间引脚详细建模的为待分析器件） 

图6是PCB板及器件的CFD模型（PCB板中间引脚详细建模的为待分析器件） 

图7是PCB板及器件的FEA模型（PCB板中间引脚详细建模的为待分析器件） 

图8是MOS器件电路原理图（1/4结构） 

图9是器件的单个MOS结构及网格划分图 

（五）具体实施方式：

下面将结合附图和某典型MOS器件的可靠性仿真评估案例，对本发明作进一步的详细说明。 

本发明一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，具体步骤如下： 

步骤一：数据采集 

如图2所示，选取某型号的器件作为案例进行可靠性仿真评价，该器件为四二输入或非门，为14引脚塑封双列直插（DIP）器件，下面对本发明作详细说明。通过器件手册、版图设计文件、设计经验和公式计算等途径，MOS器件可靠性仿真评价相关数据采集结果如下： 

1）器件结构参数 

MOS器件结构信息包括器件封装尺寸和版图尺寸信息，数据采集结果如表1所示： 

表1MOS器件结构信息 

2）电特性参数 

电特性参数指器件在结构和掺杂浓度等特定条件下的器件固有的电相关参数，如表2所示。 

表2电特性参数 

3）环境应力参数 

器件在实际使用过程中位于印制电路板（120mm×80mm×2mm）的中间位置。所经历的环境应力包括温度应力、振动应力和湿度应力。 

其中，温度应力包括2个应力水平，量值见表3。 

表3温度应力条件表 

温度应力条件	温度（℃）	持续时间（min）
			1	25	60
2	60	60

振动量值如图4和表4所示。 

表4振动应力量级表 

相对湿度恒定为20%。 

4）其他参数 

其他参数包括MOS器件重量、功耗以及材料特性等，如表5所示。 

表5MOS器件其他相关参数 

步骤二：失效模式、机理及影响分析（FMMEA） 

FMMEA首先要对需要分析的系统进行定义。MOS器件按照结构可以划分为封装、键合和芯片三个等级。然后根据历史失效情况等数据分别分析每个等级可能发生的失效模式、失效机理、失效物理模型以及对上一级的影响，并确定优先级。结果如表6所示。 

表6失效模式、机理及影响分析表 

通过FMMEA分析，器件在实际使用中最可能发生且影响较大的失效机理包括：焊点热疲劳、随机振动疲劳、腐蚀、栅氧化层经时击穿、电迁移、热载流子效应和冲击，这也是后续进行可靠性仿真分析的重点分析对象。分别对七大失效机理进行调研，常见失效物理模型如表7。 

表7常见失效物理模型 

步骤三：应力仿真建模 

根据步骤一采集到的信息，利用相关软件建立器件的CAD、CFD、FEA和故障预计模型，如图5～图9所示。 

步骤四：应力仿真分析 

利用步骤三所建立的模型，分别进行温度仿真分析、振动响应仿真分析和电特性参数仿真分析，提取应力仿真分析结果如下： 

表8温度仿真分析结果 

表9振动响应仿真分析结果 

表10电特性参数仿真分析结果 

步骤五：应力损伤分析 

针对步骤二得到的七大失效机理以及失效物理模型，利用步骤四的分析结果进行计算，其中对于冲击失效机理，由于其为过应力型失效，通过失效物理模型判定，MOS器件在步骤一提供的环境条件下不会发生失效，因此继续进行其他六大失效机理的计算，得到器件各仿真单元在各应力水平下不同失效机理的失效前时间或循环次数如下： 

表11应力损伤分析结果（以MOS结构1与引脚和焊点1为例） 

步骤六：累积损伤分析 

根据失效物理模型的特点，耗损型失效机理的累积损伤分析方法选择如表12所示。 

表12累积损伤方法选择 

1）加速因子法 

针对步骤一所提供的剖面和步骤五所计算的结果，对各个仿真单元求得加速因子和转换时间，通过累积损伤得到的器件仿真单元的单失效机理多应力水平下的失效前时间，具体数据结合步骤七进行说明。 

2）累积损伤法 

针对步骤一所提供的剖面和步骤五所计算的结果，利用三区间法和累积损伤法则求得的器件仿真单元的单失效机理多应力水平下的失效前循环次数，转换为失效前时间，具体数据结合步骤七进行说明。 

步骤七：参数随机化仿真 

MOS靠性仿真评价涉及到的失效物理模型众多，需要随机化仿真的参数如表13所示。 

表13参数随机化仿真 

下面以电迁移失效机理为例，介绍MOS结构1的随机化仿真计算流程。 

首先需要确定电迁移的随机化参数及分布类型。由失效物理模型可知，影响电迁移的外因主要包含温度和电流密度，内因为金属线的宽度和厚度。因此考虑这四个参数的随机波动特性，以环境温度20℃为例，电迁移随机化参数及分布类型如所示。 

表14电迁移随机化参数及分布类型 

参数符号	参数含义	分布类型
			W	金属线的宽度	正态分布
d	金属线的厚度	正态分布
			T	工作温度	正态分布
j	电流密度	三角分布

为了获得更加精确的仿真结果，案例对这四个参数分别进行了10000次的随机抽样。获得了电迁移的参数矩阵： 

$\mathrm{\θ}=\left[\begin{array}{cccccc}9.93078963& 9.733506499& 10.02005317& 10.04602823& 9.816564584& ...10.19054647\\ 1.633813707& 1.606997874& 1.595968546& 1.600888786& 1.625773545& ...1.564594211\\ 50.84211718& 51.52493228& 51.53150595& 51.72422426& 51.59355999& ...51.59489809\\ 0.307825393& 0.311318615& 0.290079159& 0.311675379& 0.302850289& ...0.288833591\end{array}\right]$

分别取每一次抽样的结果进行计算，即可获得MOS结构1的电迁移在环境温度20℃条件下的大样本失效前时间（单位：h）如下： 

TTF_EM=[912495.7 831858.1 912349.8 843300.5 868426.9 ... 909788] 

针对6.2.1节所示温度剖面，开展累积损伤分析。同样以电迁移为例，温度剖面包含20℃和60℃两个温度水平，现将这两个温度水平均转换为20℃，则转换后的时间为： 

t_trans=9.6h 

进行累计损伤分析计算得到MOS结构1的电迁移在多应力水平下的失效前时间向量（单位：h）： 

t_EM=[212268.7, 193510.5, 212234.8, 196172.2, 202017.2, ... ,211638.8] 

对于仿真单元MOS1，计算EM、HCE和TDDB三种失效机理，可以获得其他失效机理在多应力水平下的失效前时间矩阵（单位：h）： 

$t_1=\left[\begin{array}{ccccccc}212268.71,& 193510.45,& 212234.78,& 196172.22,& 202017.24,& ...,& 211638.84\\ 322581.37,& 319620.10,& 324071.13,& 320321.63,& 324641.83,& ...,& 322818.13\\ 265817,& 299325.00,& 284202.24& 285609.51,& 290202.36,& ...,& 294937.22\end{array}\right]$

同理，对于引脚与焊点1，计算腐蚀、焊点热疲劳和随机振动疲劳两种失效机理，得到多应力水平系的失效前时间矩阵（单位：h）： 

$t_1^{\′}=\left[\begin{array}{ccccccc}233597.17,& 199726.65,& 228924.93,& 236516.08,& 233908.24,& ...,& 226505.57\\ 241324.35,& 220673.24,& 285184.61,& 25927927,& 259100.18,& ...,& 253884.63\\ 268269.58,& 266669.61,& 270805.64,& 270620.33,& 272341.27,& ...,& 264760.34\end{array}\right]$

同理可以计算其它MOS结构仿真单元与其他引脚与焊点的失效前时间矩阵。 

步骤八：竞争失效 

对仿真单元MOS1进行多失效机理的失效分布融合，得到对仿真单元MOS1的大样本失效前时间向量（单位：h）： 

T₁=[208210.8, 199973.5, 216361.3, 202280.8, 214382.4, ...,226812.4] 

对仿真单元引脚和焊点1进行多失效机理的失效分布融合，得到对仿真单元MOS1的大样本失效前时间向量（单位：h）： 

T₁'=[215138.3, 216344.3, 246715.5, 242048.8, 191967.4, ..., 221675.8] 

同理可以计算其他各个仿真单元的大样本失效前时间。 

步骤九：可靠性评估 

利用步骤八获得的数据进行参数拟合以及拟合优度检验，失效前时间向量T服从Weibull分布，分布参数为： 

m=4.0328 

η=9.7118×10⁴

γ=9.9473×10⁴

因此，综合考虑电迁移、热载流子效应、栅氧化层经时击穿、腐蚀、焊点热疲劳、随机 振动疲劳、冲击七种失效机理，案例所分析的MOS器件在给定环境剖面下的平均首发故障时间(Mean Time to First Failure，MTTFF)： 

Claims (10)

1.一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，其特征在于：基于失效物理的理论，从MOS器件实际使用过程中可能导致失效的热、电和机械等原因入手，进行失效模式、机理及影响分析获得MOS器件潜在失效机理和对应失效物理模型，通过仿真分析得到器件使用应力，最后通过数学计算得到MOS器件实际使用条件下的平均首发故障时间，该方法具体步骤如下：

步骤一：数据采集

步骤二：失效模式、机理及影响分析（FMMEA）

步骤三：应力仿真建模

步骤四：应力仿真分析

步骤五：应力损伤分析

步骤六：累积损伤分析

步骤七：参数随机化仿真

步骤八：竞争失效

步骤九：可靠性评估

利用步骤八获得的数据进行参数拟合以及拟合优度检验，得到MOS器件多失效机理多应力水平下的失效概率密度函数f(t)，及可求得MOS器件的平均首发故障时间(Mean Time toFirst Failure，MTTFF)。

$\mathrm{MTTFF}=E\left(t\right)={\∫}_0^{+\∞}\mathrm{tf}\left(t\right)\mathrm{dt}$

2.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，其特征在于：在步骤二中所述的失效模式、机理及影响分析（FMMEA），对对潜在失效机理进行评级，其具体过程如下：

失效模式、机理及影响分析构建于理解产品需求以及产品物理特性之间的关系、产品材料与载荷之间的交互作用，及其在使用条件下对产品故障敏感性的基础上，可以确定MOS器件所有潜在失效模式中的潜在失效机理和模型，并为失效机理进行优先级划分；

对于MOS器件，首先需要进行系统定义，可按照结构划分为封装、键合和芯片三个等级；其次，按照不同的等级列出所有潜在的失效模式，分析失效原因和失效机理，同时确定常用失效物理模型；最后，对潜在失效机理进行评级，确定MOS器件使用过程中优先级最高的潜在失效机理作为后续重点分析对象。

3.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，其特征在于：在步骤三中所述的应力仿真建模包括CFD模型、FEA模型和故障预计模型，其具体过程如下：

MOS器件建模分为CFD模型、FEA模型和故障预计模型；

MOS器件的CFD模型是结合器件结构、材料热特性、功耗等信息建立的数值传热学模型，它充分描述了MOS器件的几何结构以及器件的产热和传热特性，CFD模型的准确建立是MOS器件局部温度参数能否准确获取的基础；

MOS器件的FEA模型是结合器件结构、材料力学特性、重量等信息建立的有限元模型，它充分描述了MOS器件的几何结构以及器件的力学传递特性，FEA模型的准确建立是MOS器件局部应力应变参数能否准确获取的基础；

MOS器件的故障预计模型是结合封装和芯片版图结构等信息建立的模型，它充分描述了MOS器件的几何结构以及器件的电路特性，故障预计模型的准确建立是MOS器件电性能参数能否准确获取的基础。

4.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，其特征在于：在步骤四中所述的应力仿真分析，应力参数指MOS器件常见失效机理的失效物理模型中涉及的元器件温度、应力、应变、湿度、电流等相关参数；这一步骤中主要开展温度仿真分析、振动响应仿真分析、电特性参数仿真分析，获得相关应力参数（如温度、应变等）。

5.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，其特征在于：在步骤五中所述的应力损伤分析判定器件是否失效或获得器件失效前时间或循环次数，其具体过程如下：

由应力仿真分析中获得的MOS器件的温度、湿度、应力、应变以及相关电性能参数，利用不同潜在失效机理的失效物理模型开展应力损伤计算；对于过应力型失效机理，只需通过失效物理模型判定仿真单元是否能够承受施加的应力，如果能，则可继续开展后续分析，反之则判定MOS器件失效。对于耗损型失效机理，可以通过失效物理模型计算各个仿真单元考虑不同失效机理时在特定应力水平下的失效前时间或失效前循环次数；需要指出的是，应力损伤分析需要对MOS器件实际使用中经历的不同环境应力水平分别开展仿真计算。获得MOS器件各仿真单元在各应力水平下不同失效机理的失效前时间或循环次数。

6.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，其特征在于：在步骤六中所述的累积损伤分析是在应力损伤分析的基础上，结合MOS器件寿命周期经历的不同环境应力序列，分别使用加速因子法和累积损伤准则法进行计算，再通过对循环次数到时间的转换，获得典型MOS器件中各个仿真单元的单失效机理多应力水平下的失效前时间。

7.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，其特征在于：在步骤六中所述的加速因子法，其具体过程如下：

加速因子法主要用于解决电迁移、热载流子效应、栅氧化层经时击穿等MOS器件常见失效机理的累积损伤问题；加速因子（AF）的概念来源于加速试验，是指高应力水平下和常规应力水平下产品寿命特征的比值，用于描述加速的程度，当AF大于1时，表示产品通过提高应力S可以使产品的寿命缩短；其定义式为：

${\mathrm{AF}}_i=\frac{t_{p,0}}{t_{p,i}}$

式中，

t_p,0表示在应力水平S₀下产品的寿命特征；

t_p,i表示在应力水平S_i下产品的寿命特征；

借助加速试验中加速因子的概念，在此将MOS器件实际使用中的多应力水平序列转换为单一应力水平进行评价，之后由仿真单元单失效机理单应力水平下的失效前时间求解寿命剖面下可以循环的次数，进而得到产品实际使用条件下的失效前时间；

对于温度升高或者下降的阶段：

$t\_\mathrm{trans}={\∫}_{t_1}^{t_2}\mathrm{AF}\left(T\left(t\right)\right)d\left(t\right)$

对于温度恒定不变的阶段：

t_trans=(t₂-t₁)×AF(T)

式中，

t_trans表示温度通过加速因子转换为T₀后的时间；

t₁，t₂表示待转化的时间段，设t₂>t₁；

T(t)表示温度变化阶段温度水平T随时间t变化的函数；

AF(T)表示温度水平T转换为温度水平T₀时的加速因子。

8.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，其特征在于：在步骤七中所述的参数随机化仿真利用Monte Carlo抽样，使用失效物理模型进行计算，其具体过程如下：

MOS器件失效是外因和内因共同作用的结果；外因主要指元器件使用过程中所经历的环境条件；内因主要包括元器件封装和芯片的材料、元器件生产工艺引起的结构尺寸偏差等，其对器件寿命均有影响；

本步骤中，对每一失效物理模型中内因和外因的相关参数进行Monte Carlo抽样，获得失效物理模型参数矩阵：

$\mathrm{\θ}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\θ}}_{11},& {\mathrm{\θ}}_{12},& ...& {\mathrm{\θ}}_{1n}\\ {\mathrm{\θ}}_{21},& {\mathrm{\θ}}_{22},& ...& {\mathrm{\θ}}_{2n}\\ ...& & & \\ {\mathrm{\θ}}_{m1},& {\mathrm{\θ}}_{m2},& ...& {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{mn}}\end{array}\right]$

其中，

M表示某一失效物理模型中随机化参数个数；

n表示抽样次数；

分别取每一列带入相应失效物理模型中计算，获得单机理大样本失效前时间或循环次数，通过对多个失效机理进行计算，得到不同失效机理的单应力水平下大样本失效前时间或循环次数矩阵如下：

$\mathrm{TTF}=\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{TTF}}_{11},& ...,& {\mathrm{TTF}}_{1i},& N_{1(i+1)},& ...,& N_{1n}\\ {\mathrm{TTF}}_{21},& ...,& {\mathrm{TTF}}_{2i},& N_{2(i+1)},& ...,& N_{2n}\\ ...& & & & & \\ {\mathrm{TTF}}_{k1},& ...,& {\mathrm{TTF}}_{\mathrm{ki}},& N_{k(i+1)},& ...,& N_{\mathrm{kn}}\end{array}\right]$

其中，k表示微电子器件中共有k中不同的潜在失效机理被考虑，如果某仿真单元不存在某失效机理，则对应的行全取0；

对于每一元素再次进行累计损伤得到单失效机理多应力水平下的失效前时间矩阵：

$t=\left[\begin{array}{cccc}{t}_{11},& t_{11}& ...,& t_{1n}\\ t_{21},& t_{21}& ...,& t_{2n}\\ ...& & & \\ t_{k1},& t_{k1}& ...,& t_{\mathrm{kn}}\end{array}\right]$

9.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，其特征在于：在步骤八中所述的竞争失效利用步骤六中获得的失效前时间矩阵，考虑多种失效机理，利用竞争失效机制

T_i=min(t_1i,t_2i,...,t_ki)

通过参数拟合和拟合优度检验，得到MOS器件多失效机理多应力水平下的失效前时间向量：

T=[T₁,T₂,...T_n]

10.根据权利要求1所述的一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法，其特征在于：在步骤九中所述的可靠性评估利用步骤八获得的数据进行参数拟合以及拟合优度检验，得到MOS器件多失效机理多应力水平下的失效概率密度函数f(t)，及可求得MOS器件的平均首发故障时间(Mean Time to First Failure，MTTFF)。

$\mathrm{MTTFF}=E\left(t\right)={\∫}_0^{+\∞}\mathrm{tf}\left(t\right)\mathrm{dt}$