基于测试结构的CMOS工艺可靠性评价方法研究

摘要

可靠性是集成电路能否成为产品的关键，集成电路厂商在进行集成电路设计时需要重点关注各种可靠性问题。对集成电路可靠性影响最大的是集成电路的制造工艺，但是设计者通常无法获取直接的工艺可靠性参数，因此探索一种间接的集成电路工艺可靠性评价方法很有必要。在集成电路的各种评价方法中，基于测试结构的评价方法使用测试结构和测试芯片完成工艺可靠性的评估，可以在没有直接工艺参数的情况下评价工艺的可靠性水平。本文首先以集成电路的可靠性为切入点，研究了四种主要的CMOS集成电路可靠性问题，分别是热载流子注入、负偏置温度不稳定性、经时击穿和电迁移，描述了各种可靠性问题的基本物理机理，并总结了各种可靠性问题对集成电路的影响；然后，基于对这些可靠性问题的研究，结合测试结构的相关理论，提出了评价CMOS工艺可靠性的测试结构设计方案。测试结构包括三大类，分别是评价热载流子注入和负偏置温度不稳定性的MOSFET，评价经时击穿的MOS电容和评价电迁移的金属线。由于测试结构的设计需要遵循特定的设计规则，如果针对每种工艺分别设计测试结构，会导致设计效率低。为了提高测试结构的设计效率，本文根据测试结构设计方案开发了一套基于Python语言的CMOS集成电路可靠性测试结构图形库，实现了测试结构版图的自动生成。测试结构图形库中包含各种测试结构的参数化单元，可以根据用户指定的参数自动生成对应的版图。图形库的源代码可以读入不同工艺的设计规则，经过编译后自动生成满足各种工艺设计规则的测试结构图形库。测试结构图形库中还包含焊盘与连接线，大大增强了测试结构的实用性。最后，根据测试结构的测试要求，总结了各种可靠性测试的测试流程，并提出了一种基于半导体参数分析仪的自动化测试系统方案，为将来自动化测试系统的实现提供了理论基础。

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第一章 绪 论

1.1背景与意义

1.2 CMOS工艺可靠性评价技术研究现状

1.3本文的主要贡献与创新

1.4本论文的结构安排

第二章 CMOS工艺中的可靠性问题

2.1热载流子注入

2.2负偏置温度不稳定性

2.3经时击穿

2.4电迁移

2.5本章小结

第三章 CMOS工艺可靠性测试结构的自动化实现

3.1 CMOS工艺可靠性测试结构概述

3.2 CMOS工艺可靠性测试结构版图的自动化实现

3.3本章小结

第四章 CMOS工艺可靠性测试结构图形库的设计

4.1参数化单元设计与应用

4.2基于Python语言的参数化单元库设计方法

4.3基于Python语言开发参数化单元库

4.4参数化单元设计流程

4.5 MOSFET基本单元的设计

4.6基于MOSFET基本单元构建MOSFET器件参数化单元

4.7基于MOSFET单元创建MOS电容单元

4.8电迁移测试结构参数化单元的设计

4.9测试结构与焊盘的连接

4.10测试结构模块的生成

4.11测试结构图形库的使用

4.12本章小结

第五章 CMOS工艺可靠性自动化测试系统设计

5.1 CMOS工艺可靠性测试系统设计

5.2 CMOS工艺可靠性测试流程

5.3半导体参数分析仪的自动化控制

5.4本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果