Integrierte Elemente überwachen die Zuverlässigkeit Lebensdauer-Monitoring auf dem Chip

Bisher war eine statistische Abschätzung der Lebensdauer von Halbleiterbau-elementen nur mit der Einhaltung konstanter und genau definierter Betriebsbedingungen möglich. Mit einer neuen Technologie kann die noch zur Verfügung stehende Lebensdauer eines Halbleiterbausteins abhängig von seiner konkreten Vorgeschichte auch während des laufenden Betriebs prognostiziert werden.

Integrierte Elemente überwachen die Zuverlässigkeit

Bisher war eine statistische Abschätzung der Lebensdauer von Halbleiterbau-elementen nur mit der Einhaltung konstanter und genau definierter Betriebsbedingungen möglich. Mit einer neuen Technologie kann die noch zur Verfügung stehende Lebensdauer eines Halbleiterbausteins abhängig von seiner konkreten Vorgeschichte auch während des laufenden Betriebs prognostiziert werden.

Die hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit von integrierten Schaltkreisen stellen eine Herausforderung für das Design und die Qualifikation der Bauelemente dar. Mit der neuartigen „Sentinel Silicon“-Technologie ist erstmals die zuverlässige Messung der Lebensdauer eines Halbleiterbausteins während des Betriebs möglich. Spezielle patentierte Schaltkreise erfassen die Einflüsse der Umweltparameter Temperatur, elektrische Einstrahlung und Aufladung (ESD – electrostatic discharge) sowie der radioaktiven Strahlung auf die Lebensdauer der elementaren Schaltungsstrukturen. Erstmals können die tatsächlichen Umwelteinflüsse, die ein bestimmter Halbleiterbaustein während seines Betriebes sieht, berücksichtigt werden.

Die Entwicklung der Zuverlässigkeit von elektronischen Bauelementen über das Alter lässt sich in drei Abschnitte einteilen (Bild 1): frühe Ausfälle, nutzbare Lebensdauer und Ende der Lebensdauer. Frühausfälle werden durch im Fertigungsprozess angelegte Defekte oder Schwachstellen verursacht, die zunächst keine Funktionsbeeinträchtigung bewirken und erst später im Feld unter Einfluss der Betriebsbedingungen zum Ausfall führen. Solche latenten Defekte können durch die üblichen Produktionstests nicht erfasst werden. Durch einen gezielten Stress während eines „Burn In“-Verfahrens wird eine beschleunigte Alterung und damit der Ausfall von Teilen mit latenten Fehlern erreicht; betroffene Bauelemente können aussortiert werden. Durch strikte Einhaltung von Entwurfsrichtlinien, die in Zusammenhang mit eng tolerierten Prozessbedingungen für die Fertigung und definierten Umweltbedingungen während der Betriebsdauer festgelegt werden, kann die Zuverlässigkeit während der Betriebszeit auf nahezu verschwindend kleine Ausfallraten gebracht werden.

Zum Ende der Lebensdauer hin steigt die Fehlerrate wieder deutlich an. Im Gegensatz zu den Frühausfällen liegen die Ursachen der Spätausfälle nicht in angelegten Defekten oder Schwachstellen, sondern in der Degradation der verwendeten Materialien und ihrer im Design festgelegten Struktur. Ausmaß und Geschwindigkeit dieser Degradation hängen stark von den Umwelteinflüssen während der Betriebsdauer ab. Läuft ein Bauelement während des Betriebes bei höherer Betriebstemperatur als ein anderes Bauelement gleicher Bauart, wird die Lebensdauer verkürzt. Neben der Temperatur haben Feuchtigkeit, elektrische Aufladungen und Einstrahlung sowie die Absorption von Strahlung Einfluss auf die Lebensdauer.

Gängige Praxis ist es, die Lebensdauer eines Bauelementes so ausreichend zu bemessen, dass während des Einsatzzeitraums der Bereich der Spätausfälle nicht erreicht wird. Dazu müssen Festlegungen über die typischen Betriebsbedingungen getroffen werden. Aus der Auswertung der Lebensdauer für Bauelemente, die verschärften Umweltbedingungen ausgesetzt wurden, können Beschleunigungsfaktoren für die Parameter der Umgebungsbedingungen ermittelt werden. Aus den Beschleunigungsfaktoren lässt sich dann die Lebensdauer bei den tatsächlichen Betriebsbedingungen extrapolieren.

Allerdings beschreiben diese Modellrechnungen nur die statistischen Korrelationen zwischen Produktparametern, Umweltbedingungen und Alterung für größere Stichproben. Diese Modelle versagen, wenn für einzelne Bauelemente Korrelationen zwischen den tatsächlichen Produktparametern und dem während des Betriebs erfahrenen Betriebsbedingungen hergestellt werden sollen. Die „Sentinel Silicon“-Technologie erlaubt eine individuelle Aussage für jedes einzelne Bauelement zu jedem gewünschten Zeitpunkt während der Lebensdauer.