CN115166462A - 一种半导体全生命周期持续监察方法、装置和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体全生命周期持续监察方法、装置和设备，方法包括：在半导体芯片中嵌入RC振荡器，并将所述RC振荡器作为半导体全生命周期老化过程的传感装置；检测所述RC振荡器输出的振荡频率和信号波形，并根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态。本发明无需外置老化检测软件，仅通过内置硬件传感器，并通过获取传感器参数，根据参数变化就能对半导体作全生命周期的持续监察，即实现对半导体芯片从出厂前测试、售前检测、售后跟踪检测直至产品应用全生命周期的持续检测，进而为用户提供了有力的产品数据支持。
Description
技术领域
本发明属于半导体老化监察技术领域，具体涉及一种半导体全生命周期持续监察方法、装置和设备。
背景技术
半导体产品在生产出厂后，在其应用生命周期中，会因持续老化导致部分零件、零件组或产品出现在应用生命周期终结前提前失效，这是电子产品回厂返修的最主要的原因。而造成半导体老化的原因主要有：
一是机械性的残余应力。由于半导体是由不同材料通过层层堆叠、穿孔、刻蚀等工艺生成，则在产品制造完成后必然会在芯片中遗留一定的残余应力。受温度循环、电磁场冲击和物理震动等因素的影响，半导体内部会产生变形直至内部残余应力完全清除为止，这是半导体前期急速老化的主要原因，也是造成产品售后三至六个月返修高峰的主要原因。
二是与晶体管相关的氧化、微量化学成分改变以及残余电荷累积。晶体管老化通常是阈值电压的漂移，该过程通常是一个缓慢过程，将影响半导体性能逐渐下降，直至不能满足产品应用的配置要求而出现故障。
三是与接线相关的机械性拉伸、氧化、化学性杂质和静电等。电线是许多与老化有关的问题的根源，半导体芯片内的接线在内部残余应力完全消除后，即过了第一急速老化阶段之后，便进入第二阶段的漫长而缓慢的老化过程，该过程是由温差或电磁场冲击所造成的物理拉伸、化学成分改变造成的电子元件特性的改变以及静电干扰等因素所决定的。通常在芯片设计时会设计足够的余量来克服上述因素的影响，但仍可能存在拉伸过度接线产生金属疲劳、静电轰断接线、因抗阻过大而高热烧断接线等情况，而这将导致半导体无预警地瞬间崩溃，致使产品完全损坏。
现有技术中，对于半导体老化的处理方式主要包括：一是在产品设计时加上适当余量；二是在产品生产流程中给产品加入固定的老化程序；三是在产品应用周期中为其提供内置或外置自检功能进行老化检测，例如通过记录损坏扇区的数量，若数量超过阈值则发出预警，但上述方法只能对半导体产品进行定时或不定时的做功能或性能的检测，且只覆盖产品老化的第三阶段，而无法对半导体的全生命周期进行持续性监测，这对于智能化产品层出不穷的当今社会，显然适用性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体全生命周期持续监察方法、装置和设备，用于解决现有技术中存在的至少一个技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种半导体全生命周期持续监察方法，包括：
在半导体芯片中嵌入RC振荡器，并将所述RC振荡器作为半导体全生命周期老化过程的传感装置；
检测所述RC振荡器输出的振荡频率和信号波形，并根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态。
在一种可能的设计中，所述RC振荡器包括电容C、电阻R、导线和晶体管Tr。
在一种可能的设计中，根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态，包括：
若早期输出的振荡频率变化剧烈，则判定半导体处于急速老化的第一阶段；
经过早期输出的振动频率变化剧烈后频率趋于稳定，或直接进入输出频率持续稳定，则判定半导体处于缓慢老化的第二阶段；
若在进入第二阶段稳定期后，再次出现输出频率剧烈波动，或输出信号波形整体电位变化超过阈值，则判定半导体处于瞬间失效前的第三阶段。
在一种可能的设计中，在判定半导体处于缓慢老化的第二阶段之后，所述方法还包括：
根据输出信号波形的斜率计算得到半导体芯片的预期寿命。
在一种可能的设计中，所述方法还包括：
持续检测半导体芯片自身线路的参数变化状态，并根据参数变化状态判断半导体芯片的老化状态。
在一种可能的设计中，所述半导体芯片包括动态记忆内存，持续检测半导体芯片自身线路的参数变化状态，并根据参数变化状态判断半导体芯片的老化状态，包括：
查找动态记忆内存颗粒中的最弱记忆单元位置；
持续检测该最弱记忆单元位置的Data Retention数值；
若Data Retention数值处于急剧变化状态，则判定动态记忆内存处于急速老化的第一阶段；
若Data Retention数值趋于稳定状态，则判定动态记忆内存进入第一阶段之后的稳定期。
在一种可能的设计中，所述方法还包括：
持续检测与动态记忆内存线路阻抗有关的tRFC参数，若tRFC数值处于缓慢变化状态，则判定动态记忆内存处于缓慢老化的第二阶段。
第二方面，本发明提供一种半导体全生命周期持续监察装置，包括：
传感装置设置模块，用于在半导体芯片中嵌入RC振荡器，并将所述RC振荡器作为半导体全生命周期老化过程的传感装置；
老化状态检测模块，用于检测所述RC振荡器输出的振荡频率和信号波形，并根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态。
在一种可能的设计中，所述RC振荡器包括电容C、电阻R、导线和晶体管Tr。
在一种可能的设计中，在根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态时，所述老化状态检测模块具体用于：
若早期输出的振荡频率变化剧烈，则判定半导体处于急速老化的第一阶段；
经过早期输出的振动频率变化剧烈后频率趋于稳定，或直接进入输出频率持续稳定，则判定半导体处于缓慢老化的第二阶段；
若在进入第二阶段稳定期后，再次出现输出频率剧烈波动，或输出信号波形整体电位变化超过阈值，则判定半导体处于瞬间失效前的第三阶段。
在一种可能的设计中，在判定半导体处于缓慢老化的第二阶段之后，所述装置还用于：
根据输出信号波形的斜率计算得到半导体芯片的预期寿命。
在一种可能的设计中，所述装置还包括：
老化状态判断模块，用于持续检测半导体芯片自身线路的参数变化状态，并根据参数变化状态判断半导体芯片的老化状态。
在一种可能的设计中，所述半导体芯片包括动态记忆内存，在持续检测半导体芯片自身线路的参数变化状态，并根据参数变化状态判断半导体芯片的老化状态，所述老化状态判断模块具体用于：
查找动态记忆内存颗粒中的最弱记忆单元位置；
持续检测该最弱记忆单元位置的Data Retention数值；
若Data Retention数值处于急剧变化状态，则判定动态记忆内存处于急速老化的第一阶段；
若Data Retention数值趋于稳定状态，则判定动态记忆内存进入第一阶段之后的稳定期。
在一种可能的设计中，所老化状态判断模块还用于：
持续检测与动态记忆内存线路阻抗有关的tRFC参数，若tRFC数值处于缓慢变化状态，则判定动态记忆内存处于缓慢老化的第二阶段。
第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行第一方面任意一种可能的设计中所述的半导体全生命周期持续监察方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的半导体全生命周期持续监察方法。
第五方面，本发明提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的半导体全生命周期持续监察方法。
本发明相较于现有技术的有益效果为：
本发明通过在半导体芯片中嵌入RC振荡器，并将RC振荡器作为半导体全生命周期老化过程的传感装置；然后通过检测RC振荡器输出的振荡频率和信号波形，就能根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态，从而无需外置老化检测软件，仅通过内置硬件传感器，并通过获取传感器参数，根据参数变化就能对半导体作全生命周期的持续监察，即实现对半导体芯片从出厂前测试、售前检测、售后跟踪检测直至产品应用全生命周期的持续检测，进而为用户提供了有力的产品数据支持。
附图说明
图1为本实施例中的半导体全生命周期持续监察方法的流程示意图；
图2为本实施例中的半导体生命周期曲线示意图。
具体实施方式
为使本说明书实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1和图2所示，第一方面，本发明提供一种半导体全生命周期持续监察方法，包括但不限于由步骤S101～步骤S102实现，以下对该方法进行详细说明。
步骤S101.在半导体芯片中嵌入RC振荡器，并将所述RC振荡器作为半导体全生命周期老化过程的传感装置；
其中，需要说明的是，本实施例中的采用的RC振荡器包括所述RC振荡器包括电容C、电阻R、导线和晶体管Tr，其电路结构设计采用现有的电路结构设计，此处不做限定。
其中，需要说明的是，在半导体芯片生产完成后，有三个对芯片老化影响最大的因素，分别是为清除芯片内残余应力而发生的机械性变形、芯片内化学成分的改变而导致的元器件参数变化(主要表现为半导体导线的阻抗值的变化)以及半导体中晶体管的氧化。
基于上述公开的内容，由于半导体芯片内的电容主要是机械结构，而机械结构在芯片生产过程中必然会遗留下一定的机械性残余应力，因此在芯片生产后，会随着时间的推移和芯片的应用，芯片内的机械结构会产生一定的变形，从而来排除此前遗留的残余应力。基于此，本实施例在半导体芯片中嵌入RC振荡器，那么，在半导体内残余应力的影响下，RC振荡器的电容会发生变形，从而导致电容量的变化，进而改变RC振荡器的振荡频率。
优选的，RC振荡器的电容在设计时，应当考虑金属板面积、两金属板之间的距离以及金属板之间的电解质的电解特性系数，例如尽量将金属板面积设计得大一些且金属板之间的间距小一些，从而通过调整各参数，使得电容的电容量数值比较大，并与半导体内传输线本身的电容特性有较大区别，减小RC振荡器的测量误差；同时，金属板面积越大，间距越小，越容易受到残余应力的影响而发生变形，其电容量也随之变化，进而改变RC振荡器的振荡频率。
同理，由于芯片内化学成分的改变而导致的元器件参数变化主要表现为半导体导线的阻抗值的变化，而导线阻抗值的变化是半导体产品在整个生命周期中缓慢老化的主要原因。因此，本实施例通过设置RC振荡器，并对RC振荡器传输线进行处理以控制其阻值，以使其对半导体老化更加敏感，能够有效监测半导体的老化状态；优选的，本实施例通过控制传输线的面积、长度、化学成分等参数，以控制其阻值，并将该线路设置为穿透层层堆叠，线路设计为最窄，长度尽量设计更长，并对将线路来回绕制，以使其对半导体老化更加敏感。
同理，由于芯片内晶体管的氧化是芯片老化的另一主因，即晶体管会导致输出电位改变，当电位改变到一定程度，超过预设的限度时，半导体芯片可能会突然无预警地失效。因此，本实施例通过设置RC振荡器，并将设置RC振荡器的晶体管设置为不作保护或减少保护，以使其相较于普通晶体管氧化得更严重一些，进而使得电压偏移更加严重，起到半导体芯片失效预警的作用。
步骤S102.检测所述RC振荡器输出的振荡频率和信号波形，并根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态。
在步骤S102中，根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态，包括：
(1)若早期输出的振荡频率变化剧烈，则判定半导体处于急速老化的第一阶段；
其中，需要说明的是，如果RC振荡器输出的振荡频率变化剧烈，说明电容C受残余应力影响发生变形，导致电容量变化较快，从而导致输出的振动频率变化剧烈，则说明此时半导体正处于急速老化的第一阶段。
(2)经过早期输出的振动频率变化剧烈后频率趋于稳定，或直接进入输出频率持续稳定，则判定半导体处于缓慢老化的第二阶段；
其中，需要说明的是，如果RC振荡器输出的振荡频率变化缓慢，说明电阻值受老化影响在发生改变，此时RC值也改变，但相对来说更平缓，则输出的振动频率变化也较为平缓，从而可以判定此时半导体处于缓慢老化的第二阶段。
其中，优选的，在判定半导体处于缓慢老化的第二阶段之后，所述方法还包括：
根据输出信号波形的斜率计算得到半导体芯片的预期寿命。
当然，可以理解的是，通过斜率计算半导体芯片的预期寿命，需要前期经过大量数据的计算和总结，以供后期对芯片寿命进行预测。
(3)若在进入第二阶段稳定期后，再次出现输出频率剧烈波动，或输出信号波形整体电位变化超过阈值，则判定半导体处于瞬间失效前的第三阶段。
其中，需要说明的是，若RC振荡器在进入第二阶段稳定期后，再次出现输出频率剧烈波动，或输出信号波形整体电位变化超过阈值，说明晶体管氧化严重，此时半导体可能突然瞬间失效，可发出预警提示，以便用户及时采取措施。
基于上述公开的内容，本实施例通过在半导体芯片中嵌入RC振荡器，并将RC振荡器作为半导体全生命周期老化过程的传感装置；然后通过检测RC振荡器输出的振荡频率和信号波形，就能根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态，从而无需外置老化检测软件，仅通过内置硬件传感器，并通过获取传感器参数，根据参数变化就能对半导体作全生命周期的持续监察，即实现对半导体芯片从出厂前测试、售前检测、售后跟踪检测直至产品应用全生命周期的持续检测，进而为用户提供了有力的产品数据支持。
为了进一步保证对半导体器件的老化检测结果准确，在一种可能的设计中，所述方法还包括：
步骤S103.持续检测半导体芯片自身线路的参数变化状态，并根据参数变化状态判断半导体芯片的老化状态。
在步骤S103中，所述半导体芯片包括动态记忆内存，持续检测半导体芯片自身线路的参数变化状态，并根据参数变化状态判断半导体芯片的老化状态，包括：
查找动态记忆内存颗粒中的最弱记忆单元位置；
持续检测该最弱记忆单元位置的Data Retention数值；
若Data Retention数值处于急剧变化状态，则判定动态记忆内存处于急速老化的第一阶段；
若Data Retention数值趋于稳定状态，则判定动态记忆内存进入第一阶段之后的稳定期。
步骤S104，所述方法还包括：
持续检测与动态记忆内存线路阻抗有关的tRFC参数，若tRFC数值处于缓慢变化状态，则判定动态记忆内存处于缓慢老化的第二阶段。
基于上述公开的内容，本实施例能够通过在半导体内嵌入老化监测传感装置和监测半导体线路自身参数变化，来对半导体的全生命周期老化过程进行双重检测，以进一步保证监测结果的准确性。在实际应用中，本实施例可应用于各类智能半导体产品，例如自动驾驶的智能电动车、智能机器人等，应用时，产品供应商可以为每一半导体芯片提供电子质量证书，该证书包括老化监察历史数据，用于显示在经过一段急速变化之后，检测输出数据已经稳定了一段时间；此外，用户可以自行读取半导体内的传感装置的数据，以验证证书中数据的准确性。
第二方面，本发明提供一种半导体全生命周期持续监察装置，包括：
传感装置设置模块，用于在半导体芯片中嵌入RC振荡器，并将所述RC振荡器作为半导体全生命周期老化过程的传感装置；
老化状态检测模块，用于检测所述RC振荡器输出的振荡频率和信号波形，并根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态。
在一种可能的设计中，所述RC振荡器包括电容C、电阻R、导线和晶体管Tr。
在一种可能的设计中，在根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态时，所述老化状态检测模块具体用于：
若早期输出的振荡频率变化剧烈，则判定半导体处于急速老化的第一阶段；
经过早期输出的振动频率变化剧烈后频率趋于稳定，或直接进入输出频率持续稳定，则判定半导体处于缓慢老化的第二阶段；
若在进入第二阶段稳定期后，再次出现输出频率剧烈波动，或输出信号波形整体电位变化超过阈值，则判定半导体处于瞬间失效前的第三阶段。
在一种可能的设计中，在判定半导体处于缓慢老化的第二阶段之后，所述方法还包括：
根据输出信号波形的斜率计算得到半导体芯片的预期寿命。
在一种可能的设计中，所述装置还包括：
老化状态判断模块，用于持续检测半导体芯片自身线路的参数变化状态，并根据参数变化状态判断半导体芯片的老化状态。
在一种可能的设计中，所述半导体芯片包括动态记忆内存，在持续检测半导体芯片自身线路的参数变化状态，并根据参数变化状态判断半导体芯片的老化状态，所述老化状态判断模块具体用于：
查找动态记忆内存颗粒中的最弱记忆单元位置；
持续检测该最弱记忆单元位置的Data Retention数值；
若Data Retention数值处于急剧变化状态，则判定动态记忆内存处于急速老化的第一阶段；
若Data Retention数值趋于稳定状态，则判定动态记忆内存进入第一阶段之后的稳定期。
在一种可能的设计中，所老化状态判断模块还用于：
持续检测与动态记忆内存线路阻抗有关的tRFC参数，若tRFC数值处于缓慢变化状态，则判定动态记忆内存处于缓慢老化的第二阶段。
第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行第一方面任意一种可能的设计中所述的半导体全生命周期持续监察方法。
具体举例的，所述存储器可以但不限于包括随机存取存储器(Random-AccessMemory，RAM)、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、闪存(Flash Memory)、先进先出存储器(First Input First Output，FIFO)和/或先进后出存储器(First Input Last Output，FILO)等等；所述处理器可以不限于采用型号为STM32F105系列的微处理器；所述收发器可以但不限于为WiFi(无线保真)无线收发器、蓝牙无线收发器、GPRS(General Packet RadioService，通用分组无线服务技术)无线收发器和/或ZigBee(紫蜂协议，基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议)无线收发器等。此外，所述计算机设备还可以但不限于包括有电源模块、显示屏和其它必要的部件。
本实施例第三方面提供的前述计算机设备的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见如上第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的方法，于此不再赘述。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的半导体全生命周期持续监察方法。
其中，所述计算机可读存储介质是指存储数据的载体，可以但不限于包括软盘、光盘、硬盘、闪存、优盘和/或记忆棒(Memory Stick)等，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。
本实施例第四方面提供的前述计算机设备的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见如上第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的方法，于此不再赘述。
第五方面，本发明提供一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如第一方面任意一种可能的设计中所述的半导体全生命周期持续监察方法。
本实施例第五方面提供的前述计算机可读存储介质的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见如上第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的方法，于此不再赘述。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体全生命周期持续监察方法，其特征在于，包括：
在半导体芯片中嵌入RC振荡器，并将所述RC振荡器作为半导体全生命周期老化过程的传感装置；
检测所述RC振荡器输出的振荡频率和信号波形，并根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态。
2.根据权利要求1所述的半导体全生命周期持续监察方法，其特征在于，所述RC振荡器包括电容C、电阻R、导线和晶体管Tr。
3.根据权利要求2所述的半导体全生命周期持续监察方法，其特征在于，根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态，包括：
若早期输出的振荡频率变化剧烈，则判定半导体处于急速老化的第一阶段；
若经过早期输出的振动频率变化剧烈后频率趋于稳定，或直接进入输出频率持续稳定，则判定半导体处于缓慢老化的第二阶段；
若在进入第二阶段稳定期后，再次出现输出频率剧烈波动，或输出信号波形整体电位变化超过阈值，则判定半导体处于瞬间失效前的第三阶段。
4.根据权利要求3所述的半导体全生命周期持续监察方法，其特征在于，在判定半导体处于缓慢老化的第二阶段之后，所述方法还包括：
根据输出信号波形的斜率计算得到半导体芯片的预期寿命。
5.根据权利要求1所述的半导体全生命周期持续监察方法，其特征在于，所述方法还包括：
持续检测半导体芯片自身线路的参数变化状态，并根据参数变化状态判断半导体芯片的老化状态。
6.根据权利要求5所述的半导体全生命周期持续监察方法，其特征在于，所述半导体芯片包括动态记忆内存，持续检测半导体芯片自身线路的参数变化状态，并根据参数变化状态判断半导体芯片的老化状态，包括：
查找动态记忆内存颗粒中的最弱记忆单元位置；
持续检测该最弱记忆单元位置的Data Retention数值；
若Data Retention数值处于急剧变化状态，则判定动态记忆内存处于急速老化的第一阶段；
若Data Retention数值趋于稳定状态，则判定动态记忆内存进入第一阶段之后的稳定期。
7.根据权利要求6所述的半导体全生命周期持续监察方法，其特征在于，所述方法还包括：
持续检测与动态记忆内存线路阻抗有关的tRFC参数，若tRFC数值处于缓慢变化状态，则判定动态记忆内存处于缓慢老化的第二阶段。
8.一种半导体全生命周期持续监察装置，其特征在于，包括：
传感装置设置模块，用于在半导体芯片中嵌入RC振荡器，并将所述RC振荡器作为半导体全生命周期老化过程的传感装置；
老化状态检测模块，用于检测所述RC振荡器输出的振荡频率和信号波形，并根据振荡频率和信号波形的变化状态判断半导体芯片的老化状态。
9.根据权利要求8所述的半导体全生命周期持续监察装置，其特征在于，所述RC振荡器包括电容C、电阻R、导线和晶体管Tr。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如权利要求1-7任意一项所述的半导体全生命周期持续监察方法。
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