[发明专利]一种基于失效物理的MOS器件可靠性仿真评价方法

说明书

（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