CN106291331A - 基于tddb效应的集成电路寿命检测方法和系统 - Google Patents

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李平
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    • G01R31/2851—Testing of integrated circuits [IC]
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Abstract

基于TDDB效应的集成电路寿命检测方法和系统,涉及集成电路技术。本发明的检测系统，包括下述部分：测试电压输出单元，用于向芯片的栅氧化层施加测试电压；漏电流放大单元，用于检测芯片栅氧化层的漏电流；与漏电流放大单元连接的服务器，存储有电压‑漏电流‑时间对照表。相较于现有技术，本发明没有参考寿命传感器，消除了工艺差异的影响，寿命传感电路参数值只与其自身初始值进行比较，影响参数变化的因素只来自使用寿命，因此寿命计算具有更高的准确性。

Description

基于TDDB效应的集成电路寿命检测方法和系统
技术领域
本发明涉及集成电路技术。
背景技术
随着集成电路工艺尺寸不断进步，集成电路产业进入了蓬勃发展的阶段。据国家统计局统计，2014年全年共生产集成电路1015.5亿块，同比增长12.4％，增幅高于上年7.1个百分点；集成电路行业实现销售产值2915亿元，同比增长8.7％，增幅高于上年0.1个百分点。然而在集成电路产业蓬勃发展的背后，在巨额非法经济利益驱动下，假劣集成电路芯片的制造及流通呈现出愈演愈烈的趋势，这为整个集成电路产业健康发展带来巨大威胁。仅在2011年，整个集成电路产业界因为假劣集成电路芯片的经济损失就达75亿美元之多[1]。除却经济损失，假劣集成电路芯片也对电子系统的安全性和稳定型性来巨大的威胁，特别是对于航天航空、军用等高科技领域，对集成电路的可靠性稳定性和安全性都有较为苛刻的要求。
在假劣集成电路芯片中，回收翻新利用的集成电路芯片占据很大比重。不法商人以极为低廉的成本回收废弃电路板，通过加热拾取、清洗、打磨、重新封装打标等回收工序得到集成电路芯片，以次充好、以旧冒新、以低应用等级产品冒充高等级产品的集成电路芯片，重新进入流通领域销售。因此开发可以检测判断集成电路芯片寿命的相关技术具有十分重大的经济和社会意义，不容忽视。
另一方面，通过寿命监测，系统用户可在芯片产品失效前就采取措施予以更换(可维修系统，如地面装备)或用冗余单元代替(不可维修系统，如空间装备)。对于那些电路一旦失效就会造成巨大损失的系统(如导弹系统、卫星系统)，采用此技术后有可能避免出现重大损失。
如今针对回收利用的假劣产品检测而设计的寿命传感器(aging sensor)的主要有两种：
1.利用诸如NBTI、HCI、EM等与时间相关的效应设计传感电路以表征使用寿命。在集成电路的使用过程中，电路内的MOS晶体管或金属材料会随时间变化而性能指标发生改变，利用这些对寿命敏感的效应参数就可监测集成电路的使用寿命。这种传感器会设计一个经时传感电路来累计集成电路的寿命效应值，同时也会设计一个参考传感电路用于记录传感电路的初始寿命值，之后将经时传感电路与参考传感电路寿命效应值进行比较来得到集成电路的使用寿命值。由于工艺差异，经时传感电路与参考传感电路本身就会存在参数差异，造成这种方法的检测精度不高。
2.应用一次性可编程存储器，比如反熔丝存储器来实时记录集成电路的寿命。这类电路面积开销很大，由于计数器对温度不敏感，因此无法准确的反应集成电路的真实寿命，比如在高温下工作一年的集成电路真实寿命可能大于在室温下工作两年的电路。而且实时对反熔丝存储器编程的巨大电流脉冲也对集成电路的正常运行造成干扰，对系统稳定造成威胁。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够准确的检测集成电路芯片已投入使用时间的方法和检测系统。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于TDDB效应的集成电路寿命检测方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)对目标芯片内的栅氧化层施加测试电压，检测栅氧化层的漏电流的电流值；
2)若栅氧化层未被击穿，则升高测试电压，若栅氧化层被击穿，则降低测试电压，直至得到最大安全工作电压的电压值和在此电压下的漏电流的电流值；
3)依据最大安全工作电压的电压值和对应的漏电流的电流值，在预存的电压‐漏电流‐时间对照表中查找和确定栅氧化层的已用时间。
本发明还提供一种基于TDDB效应的集成电路寿命检测系统，包括下述部分：
测试电压输出单元，用于向芯片的栅氧化层施加测试电压；
漏电流放大单元，用于检测芯片栅氧化层的漏电流；
与漏电流放大单元连接的服务器，存储有电压‐漏电流‐时间对照表。
所述电压‐漏电流‐时间对照表为对同类型器件进行检测和统计得到的对照关系，记录了在各种测试电压下栅氧化层的漏电流和已工作时间的对应数据。
相较于现有技术，本发明没有参考寿命传感器，消除了工艺差异的影响，寿命传感电路参数值只与其自身初始值进行比较，影响参数变化的因素只来自使用寿命，因此寿命计算具有更高的准确性。对于TDDB效应测试，随时间变化，电应力大的NMOS管先发生击穿现象，电应力小的NMOS管最后发生。通过不同待测管工作在不同的电应力下，可以将芯片工作寿命划分时间段。这可以使后续模型计算的结果更为精确。
本发明可内嵌入集成电路芯片中，通过芯片出厂时完成初始寿命测试，将初始寿命数据结果保存于数据库中，做为模型计算的参数值。使用时，只需读取漏电流值，代入模型计算并与数据库比对即可。
附图说明
图1是本发明的测试系统结构示意图。
具体实施方式
TDDB(time dependent dielectric breakdown)效应，又叫经时击穿效应，是半导体可靠性研究中常见的效应之一。栅氧化层TDDB现象是由于施加电应力过程中缺陷在氧化层内部产生并积聚的缘故，因而虽然施加在栅氧化层上的电场低于其本征击穿场强并未引起本征击穿，但经历一定时间后栅氧化层仍发生了击穿。在氧化层发生击穿时会出现明显的电流突变，本文所述结构主要利用TDDB效应出现之前的漏电流与时间的关系。
本发明的特点是，首先读取芯片内寿命传感电路的参数值(对应于栅氧化层漏电流的电流值)，之后数据库将该数据与该芯片出厂时的初始参数值(即电压‐漏电流‐时间对照表)比较，通过寿命模型计算出该芯片的使用寿命，并将寿命数据返回通信机显示，若该寿命明显过大，则可判断出该芯片为回收利用的劣质芯片。
参见图1，电路结构分为三部分，分别是由NMOS管组成的工作单元阵列；由输入电容Cr，运算放大器以及反馈电容Cf构成的电荷敏感前置放大器；由选择器、寄存器组成的存储单元
实验结果显示，TDDB击穿时间、漏电流大小与电压应力符合1/e模型。因而设置NMOS阵列，分别加不同直流电压，使其持续工作在恒定电压下。随时间变化，电应力大的NMOS管先发生击穿现象，电应力小的NMOS管最后发生。击穿时间呈梯度变化。
通过探针实验测试不同温度和电压条件下的NMOS漏电流可知，对于相同氧化层厚度、栅氧面积的MOS管，在一定的电压应力下，在氧化膜击穿之前的电流数值保持在一个相对的范围(PA到NA级)，因而，设计电荷敏感前置放大器用于捕捉微弱电流。表1所示为测试温度25度时漏电流的情况：
表1 25度不同测试电压下漏电流变化范围
核物理学中测试微弱电荷信号的低噪声、高增益的电荷敏感放大器对漏电流进行获取和放大处理。在满足运算放大器增益|K|>>1的情况下，输入输出满足如下关系：
Vout＝Cr·Vin/Cf
因此只要满足运算放大器的增益要求，同时设定合适的Cr，Cf即可实现微弱电流到电压的转化。
多路选择器由高压工作管至低压工作管依次选择待测电路，通过AD转换，将漏电流存储并输出OUTPUT，与数据库进行比较并返回模型计算寿命值。
更具体的，芯片出厂后，只要通电源开始使用，AGE模块内的直流测试电压就加在测试MOS管上，保证AGE模块一直工作。
假如芯片累计工作时间为1年，直接去测试管子的泄露电流会很小，很难测到准确值，因而很难带到TDDB寿命模型中推算出寿命。因而测试模块采用电压加速的方法，电压越大，管子的击穿时间越短，泄露电流也会越大。假设加5V电压的管子击穿时间为1s，4v的击穿时间是10day，3V的是半年，2.8V是一年，1V的击穿时间是5年，通过检测测试管中哪些击穿了，哪些未击穿，就可以判断出该芯片的使用时间的大致范围。在这个例子中就可以发现5v‐3V的管子击穿了，2.8V的未击穿，则认为2.8V是最高安全电压。由于TDDB作用下，击穿前后的电流值变化非常明显(转成电压后也会很明显)，因而可以很轻易的判断出管子的击穿情况。
检测到3V击穿，继续检测下一个电压值，2.8v未击穿，那么记下测试电压为2.8V的管子输出的电压。假如该电压值为0.3V，记下0.3V这个电压值存储，并输入给后面的系统部分。
利用0.3V的电压输出，代入到数据库中，利用TDDB的时间‐电压‐电流——运放的电流‐电压模型，计算出对应的漏电流，最终查找得到该管子的工作时间。这个时间就是芯片的已用工作时间，即可判断出芯片是否为回收芯片。

Claims (3)

1.基于TDDB效应的集成电路寿命检测方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)对目标芯片内的栅氧化层施加测试电压，检测栅氧化层的漏电流的电流值；
2)若栅氧化层未被击穿，则升高测试电压，若栅氧化层被击穿，则降低测试电压，直至得到最大安全工作电压的电压值和在此电压下的漏电流的电流值；
3)依据最大安全工作电压的电压值和对应的漏电流的电流值，在预存的电压-漏电流-时间对照表中查找和确定栅氧化层的已用时间。
2.基于TDDB效应的集成电路寿命检测系统，包括下述部分：
测试电压输出单元，用于向芯片的栅氧化层施加测试电压；
漏电流放大单元，用于检测芯片栅氧化层的漏电流；
与漏电流放大单元连接的服务器，存储有电压-漏电流-时间对照表。
3.如权利要求2所述的基于TDDB效应的集成电路寿命检测系统，其特征在于，所述漏电流放大单元至少有两个，各个漏电流放大单元通过多路选择器连接到服务器。
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