半导体制造过程中的工艺稳定性是决定芯片产品质量的核心要素。通过实施实时监测技术与制程管控策略，可有效识别并消除影响生产良率的关键制约因素。在持续优化制造工艺与提升工序能力的基础上，构建基于大数据分析的工艺参数监控体系，能够确保高可靠性集成电路产品的稳定量产。随着服役时间的延长，半导体器件不可避免地会发生性能衰减现象，其物理本质是关键功能单元的渐进式退化，当退化程度突破设计阈值时将导致器件失效。传统基于成品测试的被动筛选方法存在成本高昂、周期冗长等固有缺陷，难以从根本上提升集成电路的可靠性水平。因此，有必要系统研究半导体器件的实际应用场景，分析不同环境条件下因物理反应与诱发应力交互作用导致的失效模式，进而建立基于应力参数的可靠性设计体系。
集成电路可靠性物理研究以及工程实践的核心要点，便是聚焦于材料和元器件逐步退化，直至芯片最终失效这一过程。而要深入洞悉这一现象，关键在于掌握失效机制背后复杂的动力学进程，其中温度和应力依赖性扮演着极为重要的角色。在集成电路这一领域中，可靠性与制造工艺关联极为紧密。它离不开合理恰当的设计规则、严谨可靠的材料选择标准，以及性能稳定的制造设备和清晰明确的使用指南。
集成电路的失效形式多样，不管是电学方面的故障，还是机械层面的损坏，通常都能归结为材料与元器件在“应力”的作用下，发生了退化现象。这里所说的“应力”，并非仅仅局限于狭义上的机械应力。以电容器为例，它有可能因为电场应力的影响，致使介质发生击穿，进而失去效用；高电流密度所形成的应力，能够诱发金属出现电迁移现象，最终导致互连线无法正常工作；金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）在电压或者电场应力的作用下，会产生大量全新的界面态，从而引发失效；集成电路的封装部件，可能会因高拉伸应力，产生蠕变而失效；高湿度应力或许会造成芯片金属被腐蚀；封装部件还有可能由于周期性机械应力，陷入疲劳状态而失效；芯片表面可能会因剪切摩擦应力而出现磨损；在温度循环的过程中，芯片会因热机械应力致使裂纹逐步扩展，最终走向破裂等。
在传统的工业领域，一般会采用对最终产品开展老化测试的方式，来评估其可靠性。然而，随着设计厂商“Fabless”和制造厂商“Foundry”相继涌现，集成电路产业的分工变得愈发精细。而且，随着超大规模集成电路的问世，对于由上百亿纳米级晶体管所构成的集成电路产品而言，若继续运用传统方法进行可靠性评估，其复杂程度之高、经济成本之大，令人难以承受。当下，在集成电路产业中，得到广泛认可的做法是从工艺视角着手，构建制造产线内建的可靠性评估与优化体系。具体来说，就是在工艺环节，全力保障集成电路材料、晶体管等元器件以及互连线的高度一致性。在此基础之上，对材料与元器件实施加速老化测试评估，确保它们在正常工作的年限内，失效概率低于亿分之一，甚至低至百亿分之一。如此一来，就能将繁杂的集成电路产品可靠性测试验证工作，降低到最低程度，极大地提升了集成电路产业的经济效益。也正是因为集成电路制造厂商对工艺可靠性给予了高度保障，设计厂商才得以依据特定工艺及规则，设计出各式各样、丰富多彩的集成电路产品。
通常情况下，材料在特定应力作用下的可靠性强度，被定义为预估能让材料瞬间失效的应力水平。这里所说的瞬间失效，其时间跨度范围较广，从短短几秒到数年都有可能（在集成电路领域，一般以秒为数量级来考量），一般将其定义为材料在瞬间应力的作用下，失效概率超过50%。在实际的生产实践活动中不难发现，即便材料所承受的应力水平远远低于其强度，随着时间的持续推移，材料依旧会逐渐退化，最终极有可能导致集成电路失效。这种随时间变化而产生的退化（timefailure）行为，主要取决于温度以及所施加应力的大小。为了在产品的预期寿命内，尽可能降低时变退化所引发的失效情况，一般而言，一个出色的工程设计，需要深入细致地计算在加工或者制造过程中，材料所能承受的应力强度。随后，在维持设计工作条件的前提下，将应力水平控制在远低于这些强度值的范围，这就是通常所说的提高可靠性裕度的冗余安全方法。不过，从实际的工程需求层面来看，相较于精确的时变退化模型，冗余安全方法仅仅停留在定性层面，而且在面对先进集成电路设计需求时，愈发显得力不从心。举例来说，依据摩尔定律，节点尺寸的不断缩小，通常会致使器件电流密度增大，电场增强。在保障集成电路性能指标得以提升的同时，也使得晶体管正常工作的条件，越来越接近栅介质材料的击穿可靠性强度。除此之外，在芯片制造和封装过程中，所使用的不同材料，其热膨胀系数并不匹配，这通常会导致较大的热机械应力不断逼近其可靠性极限。
鉴于对更高性能以及降低材料成本的双重需求，集成电路的设计愈发倾向于采用激进的策略，这就使得芯片正常工作的条件，越来越接近材料与元器件的可靠性强度。为了达成集成电路能够稳定运行多年，同时又能确保高性能指标这一目标，就必须明确材料与元器件的可靠性范围，并且从可靠性的角度出发，制定设计规则。而可靠性范围，主要取决于材料和元件的退化速率。对退化速率与应力、温度之间的依赖性展开研究，是可靠性物理学的核心主题。由于在实际的集成电路应用场景中，要求其能够正常工作十年以上，所以在研究以及可靠性评估过程中，通常会运用加速测试的方法来开展相关工作。
材料退化的原因
2025
即使采用最精密的制造工艺，集成电路中的多数材料仍处于"准稳定状态"。根据可靠性物理理论，这种状态是指物质暂时保持稳定但易于发生状态转变的热力学条件。材料退化的本质驱动力来源于吉布斯自由能更低的物质形态存在，例如当材料承受外部应力时，系统总能量倾向于增加而非减少。这种能量失衡状态会导致材料结构的不稳定，进而引发渐进式退化。由于集成电路由多种材料构成，这种退化效应最终会导致芯片失效。因此，工程实践中必须通过工艺优化降低退化速率，防止产品功能失效。理解退化机制的物理本质是工艺可靠性的核心，这涉及解析退化驱动力、广义应力场（包括电场、热场等）以及温度参数在退化过程中的协同作用。材料缺陷对退化行为具有显著影响，因此研究通常从理想无缺陷模型入手。值得探讨的问题是：基于大规模集成电路制造工艺能否实现完全无缺陷材料以提升产品可靠性？
可靠性退化
2025
任何工业产品无论制造过程如何精密，其材料体系都会随时间发生性能衰减。这种普遍存在的退化现象在生活中随处可见：建筑结构的地基材料受到环境侵蚀、砖墙表面出现结构性裂缝、优质涂层材料逐渐老化剥落、金属制品发生氧化腐蚀等。从热力学角度分析，这种退化本质是孤立系统熵增原理的宏观体现，即物质体系趋向于从有序向无序发展。
1.退化过程的时间依赖性特征
退化现象在自然界具有普适性：建筑物的防护涂层终将开裂脱落，新车的表面处理层会发生氧化反应，精密机械的配合公差随磨损逐渐失效。对于集成电路而言，关键半导体器件参数（如阈值电压漂移、载流子迁移率衰减、互连线电阻增升、栅介质漏电流增加等）同样呈现时间依赖性退化。准确模拟材料与器件参数的退化规律，是预测芯片使用寿命的关键技术手段。
2.关键参数退化的失效判据
材料退化会导致器件关键性能参数S随时间发生偏移（图1）。这些参数可能呈现正向或负向变化趋势，当偏移量超出设计容限时，芯片将丧失正常功能。通过建立退化过程的时间序列模型，可以量化分析参数漂移速率及其对失效时间的影响。虽然无法阻止退化现象的发生，但通过精确建模能够有效预测产品寿命，为可靠性设计提供理论依据。
图1:元器件参数S随时间的变化规律
3. 先进集成电路工艺可靠性
随着半导体技术的持续演进，现代集成电路（IC）在设计复杂度与材料体系方面均呈现指数级增长。为实现单器件成本降低与性能提升的双重目标，器件特征尺寸持续按比例缩减（当前节点约为前一代的0.7倍），这一遵循摩尔定律的演进路径在推动行业发展的同时，也带来了严峻的可靠性挑战。特征尺寸的缩减导致材料内部电场强度显著升高，使介质材料趋近其击穿阈值，金属互连线的电流密度突破临界值，从而诱发电迁移（EM）失效。此外，更高强度的电场还会加剧可靠性问题，如介质经时击穿（TDDB）、热载流子注入（HCI）和偏压温度不稳定性（BTI）等。
在制造工艺层面，异质材料集成技术的广泛应用导致热膨胀系数（CTE）失配问题日益突出。这种材料属性差异在芯片制造和服役过程中会产生显著的热机械应力，进而引发一系列失效机制：应力迁移（SM）、材料蠕变、界面磨损、结构开裂以及层间剥离等。在之后的文章中我们将分别探讨前端工艺（FEOL）与后端工艺（BEOL）中的典型失效现象及其物理机制。
来源于学习那些事，作者赵先生
半导体工程师
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