测不准芯片寿命？全新评测方法实现精准预判

微电子行业正迎来重大变革：业界持续研发前景广阔的新型材料与芯片架构。但这也意味着，各类全新电子材料必须经过严谨测试，才能保证器件在长期运行过程中稳定可靠。

维也纳工业大学联合 IBM 团队、新加坡国立大学团队研究证实，当前半导体新型绝缘层的常规测试方式，几乎无法输出可信的评估结果。研究团队提出一套全新实用测试方法，可依托精准测量数据推算电子器件真实预期使用寿命。该方案能帮助研发人员更快、更稳妥地筛选适配材料与制造工艺。相关成果已发表于《自然・电子学》期刊。

加压击穿测试法存在根本性缺陷

晶体管的使用寿命，很大程度由绝缘材料种类与工作电压决定。维也纳工业大学微电子研究所 Tibor Grasser 教授表示：“针对厚绝缘层，行业通用做法是持续加压、逐步抬升电压，记录绝缘层发生击穿的临界电压，再通过换算推导寿命。简单来说：若晶体管绝缘层厚度缩减至原来的十分之一，业内会默认击穿电场强度不变，耐受电压同步降至原先的十分之一。”

但微电子器件所用纳米级超薄介质层，不能套用这套简化逻辑。Grasser 解释：“薄层的击穿电场强度并非固定材料参数；击穿属于随机、与时序相关的现象，测试条件会极大影响介质失效判定结果。”

绝缘层并不会在达到某一电压瞬间击穿，击穿过程存在时间延迟；因此测试时电压升压速率至关重要。同时，介质不会整体同步失效，只会在材料晶格存在缺陷的薄弱点位率先发生损坏。

除此之外，样品温度与尺寸同样会显著改变测试结果：介质面积越大，内部存在薄弱缺陷点的概率越高。

Grasser 着重指出：实践充分证明，依靠这套过度简化的测试手段评估电子材料耐久性能，得出的结论往往完全失真。

该问题对半导体产业影响极为严峻：电子器件失效率预估偏差会造成巨额经济损失。当下行业仍在为下一代工艺筛选最优绝缘材料，一套精准、高效的寿命预测手段，是材料选型的核心刚需。

在此之前，想要获取可靠寿命数据只能采用耗时极长的测试方案：对不同面积的材料样品施加多组恒定电压，长时间静置直至绝缘层击穿，再对多组击穿数据做统计分析。Grasser 介绍：“采用该传统方案，往往需要数月时间才能拿到有效评估数据。”

新型高精度统计测算方案

研究团队提出全新方案，无需长期静置测试即可完成精准评估。Grasser 介绍：“我们按照标准化速率线性抬升电压，直至器件发生击穿；不会直接使用击穿原始数据做寿命判定，而是配套专属统计算法分析。整套流程要求至少设置三组不同升压速率开展平行测试，通过统计学模型建立电压加速效应与器件失效概率的关联，最终换算出产业实际生产所需的关键参数。”

“依托这套算法，我们可以精准算出：特定面积规格的批量器件，在指定使用年限内能够承受的最大安全电压，以此确定器件额定工作电压上限。”Grasser 补充道，“该方法实现不同材料之间的客观、可信对比，避免出现投产多年后才发现材料选型错误、器件寿命远低于预期的重大风险。”