可靠性的定義是系統(tǒng)或元器件在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定的功能的能力 (the ability of a system or component to perform its required functions under stated conditions for a specific period of time）。所謂規(guī)定的時(shí)間一般稱為壽命（lifetime），基本上集成電路產(chǎn)品的壽命需要達(dá)到10年。如果產(chǎn)品各個(gè)部分的壽命都可以達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，那產(chǎn)品的可靠性也能達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。

集成電路在不同條件下的失效過程大致相同，可以劃分為三個(gè)階段：初期失效區(qū)、隨機(jī)失效區(qū)和磨損失效區(qū)，失效率和使用時(shí)間之間的關(guān)系呈現(xiàn)“浴缸曲線”，如圖15.1所示。使用初期失效率高，主要是由于集成電路的缺陷造成的，如硅片表面的劃痕、玷污、劃片應(yīng)力、光刻缺陷等，這一階段對(duì)集成電路平均壽命影響很大。為了避免“浴缸曲線”初期的不合格品出廠，往往加高電場和高溫進(jìn)行篩選，去掉不合格品。在隨機(jī)失效階段，失效率相對(duì)比較低，一般為一常數(shù)，器件特性基本恒定，但一旦發(fā)生故障，則常常是致命的。在磨損失效階段，早期發(fā)明晶體管時(shí)，人們認(rèn)為晶體管是固體器件、具有無限壽命，但集成電路已經(jīng)發(fā)展到超大規(guī)模集成電路，每芯片上集成有1000萬以上器件數(shù)，導(dǎo)致器件的尺寸不斷精細(xì)化，失效率隨著時(shí)間增大而提高出現(xiàn)磨損失效現(xiàn)象。

集成電路可靠性主要包括三個(gè)部分：設(shè)計(jì)可靠性、制程可靠性和產(chǎn)品/封裝可靠性。

集成電路的可靠性涉及許多領(lǐng)域，如設(shè)計(jì)、制造、封裝和測試。在新技術(shù)的開發(fā)中，每個(gè)新的制程模塊（process module）的可靠性以及它與其他模塊的交互作用，是至關(guān)重要的，也會(huì)影響到產(chǎn)品最后的可靠性。集成電路特征尺寸縮減，而其工作電壓基本保持不變，對(duì)于制程工程師、設(shè)備工程師、可靠性工程師及制程整合工程師有著很大的挑戰(zhàn)，在可靠性、設(shè)計(jì)和工藝開發(fā)之間有時(shí)需要做出權(quán)衡。在超大規(guī)模集成電路時(shí)代，可靠性設(shè)計(jì)概念是極其重要的，設(shè)計(jì)可靠性必須建立在IC開發(fā)的每個(gè)過程中，包括設(shè)計(jì)、工藝開發(fā)和制造的各個(gè)階段。如此，新技術(shù)的可靠性才能得到一定的保證。

產(chǎn)品/封裝可靠性是利用真實(shí)產(chǎn)品或特殊設(shè)計(jì)的具有產(chǎn)品功能的工藝評(píng)估載具（Technology Qualification Vehicle, TQV）對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制程開發(fā)、生產(chǎn)、封裝中的可靠性進(jìn)行評(píng)估。

制程可靠性是通過特殊設(shè)計(jì)的電子器件結(jié)構(gòu)來研究集成電路制程工藝相關(guān)的可靠性失效模式的物理模型、壽命評(píng)估方法，并針對(duì)主要失效機(jī)理提出對(duì)策措施、消除制程開發(fā)和生產(chǎn)階段中的可靠性問題，從而保證集成電路在特定使用年限內(nèi)的可靠性，因此集成電路制程可靠性是集成電路制程研究開發(fā)的一個(gè)非常重要的部分。

從可靠性觀點(diǎn)來看，集成電路制程中最關(guān)鍵的三個(gè)模塊是：①晶體管（transistor），②柵氧化層，③金屬互連層。表15.1列出和關(guān)鍵模塊相關(guān)的可靠性失效模式。本文將對(duì)這些失效模式的物理圖像、模型及重要現(xiàn)象作簡單介紹。