盖世汽车讯 微电子技术目前正经历重大变革：业界正致力于开发前景广阔的新材料和新型芯片架构。但与此同时，也必须对新型电子材料进行严格测试，以确保它们在实际运行过程中能够长期稳定、可靠地工作。

据外媒报道，维也纳工业大学（TU Wien）联合IBM和新加坡国立大学的研究团队最新发现，目前用于半导体技术中新型绝缘材料的测试方法几乎都存在问题，无法提供可靠的寿命预测信息。不过，研究人员提出了一种新的实用方法，可利用合适的测量数据估算电子器件的实际预期寿命。在研发过程中，该方法有望帮助研究人员更快、更有把握地筛选出合适的材料和制造工艺。相关研究发表在期刊《Nature Electronics》上。

图片来源：维也纳工业大学

测量直到击穿

晶体管的寿命在很大程度上取决于所采用的绝缘材料以及其工作电压。维也纳工业大学微电子研究所教授Tibor Grasser表示：“对于较厚的绝缘层，我们可以逐步施加电压并持续升压，测出其发生击穿时的临界电压，之后再对该失效电压做相应换算。简单来说，如果晶体管中的绝缘层厚度只有原来的十分之一，人们通常会认为它仍会在相同的电场强度下击穿，因此只能承受十分之一的电压。”

然而，对于微电子器件中采用的纳米级超薄绝缘层而言，这种处理方式过于简单。Tibor Grasser解释道：“薄绝缘层的击穿电场强度并非一个固定的材料常数，而是具有随机性且随时间演化的现象。因此，绝缘层是否失效会对测试条件高度敏感。”

击穿并非在达到特定电压时立即发生；相反，它需要一定的时间。因此，测试过程中电压提升的速度会对结果产生重要影响。此外，绝缘层也不会整体同时失效，而是会首先在局部薄弱点发生击穿——这些位置由于材料结构并非完全理想，存在一定缺陷。

样品的温度和几何尺寸同样会显著影响测试结果：面积越大，出现薄弱点的可能性就越高。

Tibor Grasser强调：“我们的经验清楚表明，如果采用这种过于简化的方法来评估电子器件材料的可靠性，所得结果通常会完全错误。”

这也正是该问题对半导体产业尤为严峻的原因：错误估计电子器件的失效率是不可接受的，并可能造成巨大的经济损失。尤其是在当前，未来技术最适合采用哪种绝缘材料仍有待确定，因此，可靠且快速地预测材料寿命对于材料筛选至关重要。

过去，要获得更可靠的结果，只能采用一种极其耗时的测试流程：对不同表面积的材料样品施加不同的恒定电压，然后等待绝缘层发生击穿，再对结果进行统计分析。

Tibor Grasser表示：“采用这种方法，往往需要数月时间才能获得可用于分析的数据。”

更精细的统计方法

不过，这并不意味着研究人员只能继续“摸着石头过河”。

Tibor Grasser说道：“我们提出了一种更具实用性的方法。我们按照精确定义的方式逐步提高电压，直到器件失效。但我们不会直接将这些测试数据用于预测电子器件寿命，而是采用一种专门的统计分析方法。”

研究结果表明，至少需要采用三种不同的电压上升速率进行测试。随后，可通过统计方法将电压加速效应与器件失效概率建立关联，从而根据测量结果计算出真正符合产业需求的数据。

Tibor Grasser表示：“借助这一方法，我们能够回答这样的问题：在一定时间内，特定面积的一定数量器件最多能够承受多高的电压？这也就意味着，我们可以确定这些器件允许采用的最高工作电压。这样，我们便能够可靠地比较不同材料的性能，而无需担心多年之后才发现当初选错了材料，导致器件实际寿命远低于预测值。”