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1、2010年中国电子学会第十六届电子元件学术年会噪声用于电子元器件和电路可靠性评估杜磊庄奕琪西安电子科技大学1引言保障整机和系统可靠性的方法之一是准确评估电子元器件和电路模块的可靠性，从而筛选 出高可靠的产品。电子元器件和集成电路模块应用可靠性传统评估方法具有周期长、代价高、 所需样品数量大和准确性差等问题。例如，众所周知发生在浴盆曲线平坦区域的大多数失效是 电子器件制造过程或寿命期间(工作、测试、存储、运输)产生的潜在缺陷引起的。常规电参 量检测很难发现这些潜在缺陷。由于电噪声是对于这类缺陷最为敏感的物理量，因此电噪声成 为原位检测潜在缺陷和隐性失效最为理想的工具。基于电噪声的失效物理方法已成
2、为最有前景 的电子产品可靠性评估方法。本文综述基于电噪声的失效物理可靠性评估方法的基本概念和应用领域，并介绍西安电子 科技大学该方向的科研成果。2可表征元器件可靠性信息的噪声参数噪声携带有电子元器件可靠性的信息，需要构造可以表征这些信息的噪声参数。器件可靠 性低是由于器件固有的或寿命期间产生的缺陷或菲完整性造成的，噪声某些特征参量对这些缺 陷和非完整性以及失效机制敏感才能用于器件可靠性表征。器件噪声分为白噪声：热噪声和散粒噪声；有色噪声：1f噪声，gr噪声、RTS噪声等。 在低频范围热噪声可表示为研=4豇弼(1)其中k是Beltzmann常数，T是绝对温度，G是电导。 电流散粒噪声功率谱密度为
3、S，=2qI(2)其中q电子有效电荷，I是通过结或势垒的电流。对于反向偏置Prl结，在雪崩倍增情况下， 倍增电流噪声谱也需要考虑。在低频，倍增噪声谱对电流依赖的半经验方式可以表示为墨=2qA,J4一(3)其中指数a的值在2至1J3之间，依赖于倍增因子的值。常数爿撒赖于p-n结的类型(突变或线性，对称或非对称)。电流g-r噪声功率谱密度可表示为：1322010年中国电子学会第十六届电子元件学术年会刚门2砌J，c I 1_广I _，c J其中五是角频率，常数靠，依赖于gr噪声的中心、电流和器件结构，并且由耽l的g-r噪声谱平台决定。按照参数以r和五对于缺陷数目和性质的依赖关系，可以用式(4)分析电
4、子 器件的缺陷。当易儡1时，(4)式的谱具有广的特征。胎或者闪烁噪声已有广泛研究，并建立了几个tf噪声模型。按照Hooge经验公式，体效应的1f噪声功率谱密度可以表示为墨(班筹(5)其中腥样品中的载流子数目，Q是参数，其值在10书N10。之间。如果仅晶格散射对1f噪声有贡献，则Q=2x10q(“u 1at)2，其中u是载流子总迁移率，u。是仅存在晶格散射的迁 移率。产生1f噪声的另一模型是假设1f谱是大量洛伦兹谱的迭加，每一个洛伦兹谱的功率谱密度s(f)与伊硝成正比，各洛伦兹谱的角频率参l2丌T。有适当的分布。在McWhorter模型的半导体陷阱中的电荷涨落情况下，时间参数t o=T。exp(
5、a，曲是隧穿过程的特征参量，其 中a，10。8am-1。如果涨落过程与温度相关，时间参数可以表示成为T。=T。exp(耽7)，其中跷过程的激活能。在这两种情况下，1f形式的噪声功率谱起源于参数T。的分布函数P(t。)正比于1T。一般来说，与频率相关的闪烁噪声电流功率谱密度可以表示为s(胪掣(6)J其中指数Y在08N12之间，常数爿依赖于陷阱或缺陷密度(彤)、电流(D、温度(力和器件结构。参数彳，和Y包含噪声源性质的信息。爆裂噪声(burst noise)在二极管、晶体管和探测器中均已观测到。它通常具有双稳态 的波形，爆裂噪声的源是位错后或其他晶体缺陷，也与金属型杂质沉淀有关。爆裂电流噪声功 率
6、谱密度具有Lorentz谱的形式&仔7-A6钆2(1+)2-【b2)(7)其中彳。是依赖于缺陷性质的常数，“定义为1“=1T t+1t：。按照随机开关模型，在时间 间隔dt内，关的概率为dtT-，开的概率为dtt z。关于缺陷的信息包含在参数爿瘌“中。在现代小尺寸器件中，载流子俘获进入局域化的缺陷态导致能够观测到的器件电阻的改 变。作为单个载流子开关的结果，器件电流中存在随机电报信号。总的噪声谱是各Lorentz谱 之和，Lorentz谱的数目和时间参数依赖于缺陷数目和性质。按照上述噪声类型，热噪声和散粒噪声对于器件内在变化敏感性分别与电导和电流同数量1332010年中国电子学会第十六届电子元
7、件学术年会级。而其他类型的噪声比热噪声和散粒噪声更适合用于器件可靠性预测。现代纳米结构和器件 中介观散粒噪声可用于表征量子信息。噪声用于可靠性表征的关键问题是确定通过噪声测量获 取的器件可靠性信息的标准、判据和指示。器件可靠性表征方法建立在如下噪声特征量或关系 的基础上： (1)给定频率的噪声水平； (2)功率谱密度的频率依赖关系； (3)噪声功率谱密度的电流或电压依赖关系：(4)噪声功率谱密度的温度依赖关系；(5)噪声自相关函数和 自相关时间。低频噪声作为器件可靠性信息参数的优点是对于潜在缺陷、慢退化过程和隐性失效的敏感 性。噪声可靠性指示可以定性或定量方式给出。基于噪声实现定性可靠性评估和
8、筛选相对容易， 建立定量化的噪声特性与预测器件寿命时间之间关系较为困难。定量评估可靠性要求建立与电 子器件寿命时间相关的定量化指示参量。3噪声作为描述电子元器件可靠性的信息参量31二极管的噪声与可靠性zener二极管、reference-极管、avalanche-极管和varicap二极管等正常工作状态是反 向偏置的。作为这些类型的二极管可靠性信息参数，可以采用p-n结击穿条件下的低频倍增噪 声。在Sv(I)中出现峰的个数与器件退化高度相关。理想的Pn结倍增噪声的sv(I)仅有一个峰。 sv(I)中的第一个峰对电流的依赖关系是电流对与Pn结的动态电阻依赖的结果。第二个和其余 的峰是内置缺陷(b
9、uiItin defects)引起的，而内置缺陷是不稳定的微等离子体机制引起的。 因此，高可靠的器件选择的指标可以用RI=m定义，其中m为给定频率处谱Sv(I)峰的数目。定性的选择规则为：峰数目越多，二极管可靠性越低。在非均匀p-n结中，在低于理想Pn结击穿电压的某一电压Vs处测量给定频率倍增噪声，Vs处测量的噪声开始比瞰测量的噪声增大，则比值丑，眙(8)可用于定义可靠性指标，假设K和瞰E噪声测量条件相同。在此情况下，高可靠器件的选择规则为：肼值越低，可靠性越高。不可靠二极管的定性指示也可以用噪声的波形。具有不稳定的微等离子体击穿的二极管， 呈现非高斯噪声波形，由此波形可以确定拒用的不可靠二极
10、管。一般来说，齐纳二极管或雪崩二极管的可靠性与噪声谱密度的水平和形状或低频噪声类型 直接相关。所以，二极管的非均匀性可以通过噪声电压频率相关的峰来观察，噪声中含多峰的 二极管是不可靠的。按照噪声的类型，从。D()可以定义高可靠器件的选择判据：仅出现散 粒噪声的二极管比仅出现1f噪声的二极管可靠性高，而同时出现11f噪声和gr噪声的二极管 可靠性最低。建立在噪声类型基础上可靠性器件的选择判据按照自相关函数形式可以定义为K(T)=K(0)exp(一IT lt。)，(9) 其中相关时间下。可用作表示白噪声(t。150 u s) 存在的判据。高可靠二极管的选择判据为：相关时间越大和噪声水平越高，则二极
11、管可靠性越 低。1342010年中国电子学会第十六届电子元件学术年会理想p-n结的正向偏置二极管噪声谱密度S(功对电压的依赖具有最大值，测量负载电阻R。两端的噪声，功率谱最大值南随着Pn结非理想化增加而增加。因此，可靠性的指示定义为RI=1+109私7冠，(10)该指标随着失效概率增加而增加，作为结非理想性的度量，也是二极管非完整性的度量。 在p-n结中局部面积具有较低内建势和不良接触是像太阳能电池这样大面积二极管的典型偏离。正向偏置二极管的1f噪声如果大于理想二极管预期噪声，其可靠性降低。在较低的电流密度，噪声功率谱密度与电流强度碱正比，较高的噪声水平是由于结区的非均匀性引起的(载流子寿命较
12、低)。在强电流密度情况下，接触电阻产生的1f噪声为主，电流噪声谱密度 与12成比例。噪声变大及谱&(力对于，依赖的偏离可能是接触非均匀性引起的(形成多个点状 接触，非面良好接触)。这时的可靠性指示可以定义为肘=岛(力so(1)。(11)其中岛倒是理想二极管在低电流密度情况下的噪声功率谱密度(主要是Pn结噪声)或高电流密度下的噪声功率谱密度(主要是接触噪声)。该指标可用于表征二极管的缺陷特性。 在激光二极管中，位于Pn结周边的应变和位错引起1f噪声和非辐射复合，可降低二极管的性能。5：r倒随着1f噪声参数Q增加(由于位错数目增加)而增加，和或随着载流子寿命减小(由于载流子复合增加)而增加。另外，
13、电流密度高，接触电阻对于激光二极管退化的贡 献显著，因此接触噪声可以作为激光二极管接触理想性的指示。这种情况下，在给定频率测量 1f噪声水平可预测激光二极管的可靠性，判据为：1f噪声水平越高，激光二极管可靠性越低。 Gural二极管退化源主要是位于二极管激活区域和或二极管接触处。业已发现二极管的产生功率减小通常与初始噪声水平砌俐和相对噪声温度的时间变化4砌以)相关，频率缆的相对噪声温度定义为Tm=Sv(f)4koR，其中J睫二极管偏置为啪To=300K时的电阻。二极管可靠性预测的判据为：砌化越大，二极管可靠性越低。 32晶体管噪声与可靠性晶体管的失效依赖于晶体管的设计、制造采用的技术工艺、工作
14、电学条件(例如电场强弱、 电流密度的大小、动态还是静态区)和环境条件。因此，需要根据晶体管的类型和使用条件， 选择用于晶体管可靠性评估的噪声指示参量和数学模型。(1)双极晶体管 经过多年研究得出结论：初始噪声低的晶体管比噪声高的晶体管有更长的寿命。因此，晶体管定性选择判据为：等效电流噪声水平越高，可靠性越低。 如果双极晶体管中的噪声源是位于接近Prl结表面区域二氧化硅层中的深陷阱占据的随机涨落，则，(1)氧化离子污染物引起硅表面电荷密度和发射一基极p-n结周边单位电流密度增 加，其结果电流1f噪声谱密度增加。(2)陷阱浓度引起晶体管特性不稳定和电流噪声谱密度 增加。1f噪声对于表面缺陷的敏感性
15、可以用Y辐射产生缺陷来证明。因此定性选择判据为：1f噪声水平越高，双极晶体管可靠性越低。 发射极边缘的位错也可引起低频噪声。这种噪声具有爆裂噪声的特点，可以用(7)式表示，常数A。依赖于基极电流台阶的量值(A厶)和位错密度膨。4 J瘌(7)式中的截止频率五1352010年中国电子学会第十六届电子元件学术年会=I2T n都依赖于pn结的偏置。晶体管的可靠性随着发射极边缘的位错引起的爆裂噪声的增 加而降低。在这种情况下，评估晶体管可靠性的判据确定为：爆裂噪声水平越高，晶体管可靠 性越低。有时，低频噪声水平不是预测晶体管可靠性的充分条件。应用初始噪声水平和寿命试验第 一步后的噪声值的变化作为判据，评估晶体管可靠性更为准确和有效。也就是，噪声水平不仅 依赖于器件中缺陷的数目，也与缺陷的位置有关。这样，失效原因不仅与初始噪声有关，也与 寿命试验中缺陷的运动
