Zuverlässigkeit integrierter Schaltungen noch vor deren Einsatz sicherstellen

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Charakterisierung eines Wafers mit Komponenten in LF15A-Technologie.
Charakterisierung eines Wafers mit Komponenten in LF15A-Technologie. (Bild: LFoundry)

Der Halbleiterhersteller LFoundry optimiert mit Hilfe des Fraunhofer IIS/EAS seine 150-nm-Technologie für besonders sicherheitskritische Anwendungen. Durch die gemeinsamen Arbeiten ist es zukünftig möglich, bereits vor dem Praxiseinsatz einer solchen integrierten Schaltung eine besonders genaue Vorhersage zu ihrer Gesamtzuverlässigkeit zu machen.

Zuverlässige und langlebige Elektronik ist für immer mehr Anwendungen essentiell. Das gilt umso mehr, wenn es sich um sicherheitskritische Funktionen zum Beispiel im Automobil oder in der Industrieautomatisierung handelt. Dabei sind elektronische Systeme hier oftmals starken Belastungen ausgesetzt, die Alterungserscheinungen bei Transistoren verstärken und damit die Funktion von Bauteilen negativ beeinflussen können.

Wollen Halbleiterhersteller Technologien für langlebige Komponenten in diesen Anwendungsfeldern anbieten, müssen sie deshalb den Nachweis erbringen, dass einzelne Transistoren unter definierten Einsatzbedingungen ihre Aufgabe auch nach langer Zeit einwandfrei erfüllen. Außerdem ist es für Elektronikhersteller entscheidend, das Langzeitverhalten von Schaltungen, die aus den Transistoren bestehen, untersuchen zu können.

Nachweis zur gewährleisteten Sicherheit erbracht

Während der gemeinsamen Arbeiten des Fraunhofer IIS/EAS mit LFoundry standen darum vor allem aussagekräftige Modelle im Fokus, die für Alterungssimulationen in sogenannten „Process Design Kits“ (PDK) integriert werden. Mit Hilfe von PDKs können Kunden des Halbleiter-Fertigers eigene Entwicklungen auf der Basis von LFoundry-Technologien, wie LF15A, die sich für ein breites Feld von Mixed-Signal-Anwendungen inklusive Low-Power, High-Voltage und RF eignet, schnell auf den Markt bringen.

Neu ist nun, dass das PDK für Designs in dieser 150-nm-Technologie jetzt auch Informationen zur Zuverlässigkeit von Transistoren unter praxisnahen Belastungen enthält, die auch zur Verifizierung ganzer Schaltungen verwendet werden können. Branchenüblich sind derzeit in dieser Strukturgröße lediglich vereinfachte Modelle für einzelne Transistoren, die nur wenig Rückschlüsse auf eine realitätsnahe Gesamtzuverlässigkeit erlauben. „Um den Designflow in Bezug auf die hohen Qualitätsansprüche im Bereich der Automotive-Produktentwicklung bestmöglich zu unterstützen, wurden im Zuge unseres Projekts Modelle zur Alterungssimulation in unsere LF15A-Plattform integriert. Dies eröffnet unseren Kunden die Möglichkeit einer besseren Vorhersage bezüglich des Product-Live-Cycles“, so der PDK Director Andreas Härtl von LFoundry.

Die Forscher des Fraunhofer IIS/EAS haben im Projekt vor allem die Auswirkungen verschiedener Abnutzungsmechanismen auf Bausteine in der LFoundry-Technologie untersucht. „Dabei haben wir an CMOS-Bauteilen vor allem die Folgen der verbreiteten Effekte Hot Carrier Injection (HCI) und Negative Bias Temperature Instability (NBTI) vermessen“, erläutert der Fraunhofer-Abteilungsleiter für Entwurfsmethoden Roland Jancke. „Mit diesem Wissen konnten wir dann die Parameter für die verwendeten Alterungsmodelle so optimieren, dass diese jetzt erstmals die zuverlässige Funktion kompletter Schaltungen auch nach langer Belastung nachweisen können.“

Das erweiterte PDK mit den LF15A-Alterungsinformationen wird LFoundry seinen Kunden noch im Dezember zur Verfügung stellen. Darüber hinaus sind gemeinsam mit Fraunhofer weitere Optimierungen des Zuverlässigkeitsnachweises geplant. So sollen zukünftig noch präzisere Simulationsergebnisse aus weiterentwickelten Alterungsmodellen gewonnen werden, um die Elektronik noch gezielter auch in neuen Einsatzgebieten nutzen zu können.

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