在芯片集成度和处理能力不断提高以及成本和功耗下降的推动下，半导体和嵌入式芯片设备的普及率不断提高。对于在需要可靠性或安全性的应用中发挥关键作用的半导体来说，老化是一个主要问题。 

什么是半导体老化？

半导体老化是指半导体器件由于连续使用或长时间暴露在温度、湿度、辐射和电应力等各种环境条件下而缓慢丧失电气特性。掺杂剂分散、界面劣化和氧化物击穿等多种过程都会导致老化过程。这些过程会导致器件的电气特性发生变化。

 

半导体老化的影响

半导体老化的严重影响可能导致故障。当电子设备老化时，其电气特性会发生变化，从而导致性能和可靠性下降。

老化的影响之一是设备漏电流增加，从而导致传输质量下降和能耗增加。老化引起的阈值电压下降会影响器件的开关特性，例如开启和关闭时序。

设备的跨导随着年龄的增长而下降，导致其带宽和增益下降。由于老化导致的界面层劣化可能会导致器件的电容和界面状态发生变化。在老化的半导体器件中，氧化物的击穿是一个至关重要的问题。作为绝缘体的氧化层的退化可能会导致器件故障。

 

半导体老化测试的意义

测试半导体老化对于确保设备在整个生命周期内的耐用性和性能至关重要。

半导体器件用于可靠性至关重要的多个领域，包括飞机、医疗设备和军事。半导体老化测试可确保设备在其整个使用寿命期间继续可靠运行。

它减少了与设备损坏相关的费用。早期诊断恶化可以进行预防性维护，从而减少维修和更换费用。

通过检测容易发生故障的设备并在发生故障之前更换它们，半导体老化测试可以延长产品的使用寿命。此外，测试有助于识别性能下降的设备，以便进行更换或维修。

 

传统半导体老化和测试

许多传统程序用于评估半导体的老化。

瞬态介电击穿 (TDDB) 是测量半导体器件氧化物击穿的常用方法。它需要向设备的氧化物层提供电池电压并确定氧化物降解所需的时间。无故障时间是设备可靠性的指标。

热载流子注入（HCI）是针对热载流子注入引起的半导体器件老化的测试。向器件施加高电压以产生热载流子，然后将热载流子注入器件的沟道区域。然后测试该小工具的电气特性，以确定老化的影响。

偏置温度不稳定性（BTI）是一种用于测试由偏置温度不稳定引起的半导体器件老化的方法。该过程需要向仪器提供偏置电压并将其暴露在不同的温度下。然后测试该小工具的电气特性，以确定老化的影响。

电迁移 (EM) 是一种用于测试由于互连中金属原子移动而导致的半导体器件老化的方法。它需要向器件的金属线提供电流应力，并确定金属原子移动所需的时间，从而导致互连故障。

带数据处理的高效半导体老化测试
在期刊上发表的最新研究中，研究人员提出了一种高效老化测试技术，可根据电压应力进行估算取决于器件电气指标的平均恶化程度，而不是衬底电流，因此减少了测试时间，同时提高了准确性。

预测试是初始阶段。预测试是初始阶段。作为后续研究的参考，在预测试开始之前必须评估设备的一些基本特性，以保证设备处于良好状态并且没有制造缺陷。典型的器件特性包括阈值电压 (Vth)、跨导 (Gm），以及饱和时的漏极电流（Idsat）。为了使程序与测量各种老化效应相关，在预测试中评估了4%至6%之间的电气指标劣化。

HCI 效应的漏极电压应力大约是工作电压的 1.3 倍。在这样的电压应力下，检查了几个样品的 Idsat 退化。在各种漏极电压下检查Idsat的劣化率。相当于 Idsat 降低 5% 的电压称为漏极电压应力。栅极电压应力的基准是打开通道并看到 Idsat 恶化，这是标准工作栅极电压可以做到的。
为了获得模型参数，除了在预测试阶段建立的电压值之外，还选择了估计漏极电压应力周围 2 V 范围内的两个附加电压。使用相同的程序，可以确定设备持续时间和劣化之间的联系。然而，随着沟道长度在相同测试条件下增加，劣化并不明显。

由于老化测试是在过度偏置的设置下进行的，以加速电子器件的老化，因此将收集到的数据拟合到设备老化模型以获得真实的参数非常重要。最初，首先检查测试数据，并消除明显偏差的数据。

通常，使用从多个样本接收的数据的平均值作为最终测试值。由于老化测试产生的数据是离散的电气指标值，因此对处理后的数据进行拟合以开发半导体性能的恶化公式并确定器件的寿命非常重要。曲线拟合的准确性直接影响模型的有效性。将加速测试技术与传统测试方法进行比较以确认其在极端条件下的正确性至关重要。因此，应首先进行老化建模。

 

未来的趋势

人工智能在半导体行业越来越受欢迎，预计它将在老化测试中发挥重要作用。人工智能能够分析大量数据并识别趋势，使预测老化影响和执行预防性维护变得更加简单。

半导体领域的另一个上升趋势是机器学习。它包括教计算机进行预测和从数据中学习。可以应用机器学习来预测老化对半导体设备的影响并改进维护计划。

在半导体行业，无损检测 (NDT) 程序变得越来越普遍。这些方法可以对电子产品进行无损测试，从而降低成本并提高生产率。

现场测试需要在设备使用时对其进行评估。该技术提供有关设备性能和老化影响的实时数据，以便进行预防性维护。