半导体可靠性分析.ppt

1,IC元件與製程之可靠度分析,一、可靠度分析 (Reliability Analysis) 二、影響元件之可靠度的主要因素 1. 熱載子效應 (Hot-Carrier Effect) 2.電子遷移效應 (Electromigration) 3. 氧化矽膜之可靠度量測 (Silicon-Oxide Film) 4. 元件縮小時之可靠度問題 (Device Scaling) 5. CMOS門閂閉鎖現象 (COMS Latch-up) 6. 封裝技術之可靠度 (Package Technology) 三、故障之機率分析函數 四、可靠度測試方法 五、加速測試因子與取樣數,2,可靠度分析 (Reliability Analysis),可靠度分析： 藉著研究元件的物理機制，並利用數學統計之分析技巧，以進行元件評估改善之工作，期能完整地預測出元件之生命週期，再將其分析結果反應在製程上，求得製程參數的改進，如此更可確保元件衰退期的延緩，降低隱藏式之缺陷，而最終目的是提高產品的良率 。,影響元件之可靠度的主要因素： 1. 熱載子效應 2.電子遷移效應 3. 氧化矽膜之可靠度量測 4. 元件縮小時之可靠度問題 5. CMOS門閂閉鎖現象 6. 封裝技術之可靠度,3,熱載子效應 (Hot-Carrier Effects, HCE),熱載子效應 係指元件通道電場產生的熱載子所造成元件性能退化影響之效應。 熱載子即為帶有能量的載子(包括電子與電洞);當載子所具有的能量大於Si-SiO2的能障時(大約3.l eV對電子，4.8 eV對電洞)，就有機會越過Si-SiO2的介面而成閘極電流，此種現象稱為熱載子的注入(Injection)。 熱載子注入模型 ： 通道熱電子模型(Channel Hot Carrier) 基板熱電子模型(Substrate Hot Electron) 二次產生熱電子模型(Secondary Generated Hot Electron) 汲極累增熱載子(Drain Avalanche Hot Carrier) 一般造成元件退化的主要是汲極累增熱載子(DAHC)模型（如右圖說明） 一般多用基座電流(Isub)作為監控指標，電流愈大表示DHAC反應愈激烈。測試時多使用最大基座電流。 實驗結果顯示n-MOS元件退化主要是由閘極氧化膜界面陷阱產生所造成。,MOS元件因高電場(200KV/cm)下，通道電子獲得足夠能量而產生撞擊游離化效應，此時大部份的電子是流向汲極，而大部份的電洞則由基板收集，但還有部份因碰撞而轉向與電子結合。電洞在仍有足夠能量過 Si-SiO2，能障情形下，注入閘極氧化膜。,4,電子遷移效應 (Electromigration, EM),電子遷移現象(Electmigration, EM) 一種因為電子流的撞擊使金屬原子產生移位的效應。 原子移位後在原處產生空位(Vacancy)，導致金屬連接線的斷線；也可能聚集而產生突丘(Hillock)與突鬚(Whisker)使金屬線問的短路。 電子遷移之測試方法 主要係採用定電流的加速方法，而以斷路或短路的發生為故障發生時間。 生命期模型經驗公式： MTTFAJ-nexp Ea/kT。 電子遷移的故障機率分佈是符合Log-normal之分佈函數。 應力遷移(Stress Migration) 當線寬愈綑時，不同材料係數(如熱膨脹係數，彈性係數)產生的應力(Stress)會使金屬線形成空洞(Void)或原子積聚而產生斷路或短路的故障。,鋁金屬電子遷移現象之示意圖，V 符號為空洞(Void)缺陷，而在二個或者更多晶粒交接處有三交點(Triple Point)，是發生電子遷移效應之位置,5,氧化矽膜之可靠度量測 (1),氧化矽膜主要之功能： 電性的絕緣，擴散及離子佈值時之光罩(Mask) ，保護元件表面。 當氧化矽膜的絕緣特性不良時，漏電流過高時，即稱為故障。 任何閘極氧化膜發生故障時，都可能導致元件故障而影響到整個電路的正常運作及產品良率。 測試氧化膜生命週期之方法： (1) 介電質隨時間而崩潰(Time-Dependent Dielectric Breakdown, TDDB) 加一固定電壓，記錄氧化矽膜之電流及崩潰時間，再用數學統計方式來預估其生命週期時間。 (2) 崩潰電荷(Breakdown Charge, QBD) 所加的固定電流和測試時之崩潰時間的乘積，即所謂崩潰電荷。 QBD的測試結果比較不曾因測試方法的不同而有所差異。,圖(a)是TDDE之量測技巧，由固定電壓量測方式，偵測出其漏電流及崩潰時間而得。 圖(b)是崩潰電荷QBD之量測方式，由F-N穿透時之固定電流，偵測其崩潰時間而得 。,6,氧化矽膜之可靠度量測 (2),氧化矽膜崩潰之機制 ： 正電荷(Positive Charge)缺陷 在接近氧化矽和矽之界面處(陰極電板處)有一些正電荷之缺陷，導致能帶圖往下降，使得接在陰極處之矽基座內電子可注入或穿透氧化矽膜，而造成崩潰。 陷阱(Trap)缺陷 氧化矽膜內有介電面缺陷電荷(Interface Trapped Charge)、氧化矽之固定電荷(Oxide Fixed Charge)、氧化矽缺陷電荷(Oxide Trapped Charge)與移動離子電荷(Mobile Ionic Charge) 。缺障愈多，愈容易使電荷過度集中，導到電場分佈不均勻而造成可靠度之間題。 弱污點(Weak spot) 缺陷 正電荷被較弱之污點陷阱處所抓住，造成能帶圖往下彎曲，致使電子能更有效穿越能障。 這種缺陷大部份是來自製程上之污染、雜質、金屬物與有機物之殘留、製程上所衍生之破壞。,(a)是氧化矽膜崩潰之機制 (b)則是正電荷缺陷產生時，能帶圖之變化情形,7,氧化矽膜之可靠度量測 (3),氧化矽膜之故障模式 以I-V曲線之崩潰電場大小來區分 A型式-針孔(Pin-hole)模式 崩潰電場通常是小於2MV/cm，此類之氧化膜會造成產品良率的損大，可在產品預燒檢測時被偵測出來 。 B型式-異質性崩潰(Extrinsic Breakdown) 崩潰電場大於2MV/cm，小於8MV/cm。 此模式類之崩潰常和外面因子有關，模式B之薄膜隱藏著隨時都會故障之危機，故又稱為隱藏式之缺陷。 B模式之薄膜是採用較大面積之量測。 C型式-本質性崩潰(Intrinsic Breakdown) 崩潰電場在8MV/cm條件以上 此類之崩潰行為是材料本身特性所限制住，此型之氧化矽膜，不太容易發生可靠度之問題 。 C模式之薄膜則用較小之測試面積 。,崩潰模式之定義: A型式為小於2MV/cm; B型式則為小於 8MV/cm大於 2MV/cm C型式為大於8MV/cm,8,氧化矽膜之可靠度量測 (4),電場強度(Eox)測試 量測氧化矽膜的絕緣特性。 一般以加上斜波電壓(ramp voltage)後量測電流之方式進行。當造成電流突增時之電場，即為崩潰電場。 斜坡電壓和電流之測試方法 ： QBD量測是氧化矽膜品質之重要指標。 QBD測試除了用定電流之測試方式，也需要用斜電起和斜波電流來測試，來加強可靠度之測試結果。 由於斜波電壓是由小到大，故可以兼顧測試時間與體質比較弱之氧化膜之特性(如B形式之氧化膜元件)，使之完全反應在可靠度之失效元件分佈圖上。,斜波電壓與時間之關係圖。 其中斜波增加率為小於101/2倍/秒，以15%電壓突增為比較理想。,9,元件縮小(Device Scaling)之可靠度問題,縮小因素(Scaling Factor) k： 如元件尺寸有20%之縮小比例時，k之定義為 1.20。 熱載子現象之元件縮小效應: 由基座電流 (Isub) 決定 ,電子遷移效應之元件縮小現象 由汲極電流決定 MTF k-6 應力遷移現象之元件尺寸縮小效應: k-3 氧化矽厚度變薄之可靠度問題: (縮小)/(未縮小)= exp - (k-1),10,CMOS門閂閉鎖(Latch-up)現象,閉鎖現象(latch-Up) CMOS元件中，由於寄生之p-n-p-n四層電晶體所產生類似閘流體之矽控整流器之閉鎖效應。 閉鎖現象發生之可能因子： (1)當外來雜訊或者額外之外部電壓加在輸出瑞或輸入端，就可能造成CMOS元件之閉鎖；這是最常發生CMOS元件閉鎖之主要原因。 (2)當外部輻射線及高能量電子之撞擊離子現南發生，產生不正常的電流通過矽塊材基座內，也曾有閉鎖現象的發生 (3)或外加電源供應器之電壓瞬間變化，造成電流遷移至基座塊材料 (4)當p井內之基座塊材之接面崩潰造成大量的電流及偏壓。 防止CMOS元件閉鎖之方法： 護環式 p- on p+之磊晶片 修改製程參數,CMOS電晶體中之閉鎖問題 其中塊材有p-n-p (Q1)電晶體，p 井內有n-p-n (Q2) 電晶體，彼此連接成pnpn 寄生閘流體 。,11,封裝技術(Packaging Technology)之可靠度,封裝技術之可靠度的影響因素： 晶片貼合(Die Bonding) 焊接技術(Wire Bonding) 密封技術(Sealing) 膠封(Encapsulate) 右圖塑膠封裝技術中，有關影響元件失效之因素。 其中之原裝時之龜裂現象(Crack)，將導致水氣滲入IC元件中，而用高分子之聚亞醯胺(Polyimide)，因分子很大，可吸入輻射，使其影響度降至最低。 銲接時材料，銲墊表面之污染、錫膏量，錫球之平整度、基板及承載體的水平度;以及熔焊時間等等諸多因素。,封裝搬術之可靠度問題之示意圖: 如封裝技術材料之龜裂問題、晶片龜裂、塑膠複合模子問題、晶片之保護層、球形接點破碎、及脫屑(Delamination)問題等。,12,故障之機率分析函數,故障之機率分佈函數之功用： 運用故障之機率分佈函數及其分析技巧，經由適當的測試方法驗證、量化與反應結製程或元件控制與設計上，以進行元件評估改善之工作。 可靠度R(t) 單位時間內，在某特定工作條件下，元件仍然處於正常工作之機率。 累積故障分佈函數(Cumulation Distribution Function of Failure, CDF) F(t) 在單位時間內產品，累積之總故障機率F(t)函數。 二者之相對關係為 R(t) + F(t) = 1，其中 故障機率密度函數(Probability Density Function of Failture，PDF) f(t) 在某一時間t時，產品發生故障的機率。,瞬間故障率(Instantaneous Failure Rate ) (t) 某一特定時間，產品瞬間故障率，它是PDF故障率和前一段時間之可靠度之比。 當可靠度為趨近1時，瞬間故障率 = f(t) 。 單位時間之故障率(Failure In Time ) FIT 1 FIT表示109元件-小時之倒數 1 FIT = 109元件-小時-1 當瞬間故障率為定值時 ， R(t)exp( t) MTTF 1/ F(t)1-e- t 因為當F(t) = ½ 時，t 則稱為lifetime。 F(t)1-e- t = ½ t = ln2/ ,13,故障情形之分類與統計分析,故障情形之分類： 故障率之浴缸曲線(Bath-Tub Curve) 早夭期(Early Failure ) ：操作時間短便故障。CMOS之閉鎖複象則處於製造商之早夭期便會偵測出來。 穩定期(Useful Life) 元件衰退期(Wearout Life) ：操作時間比較長者。電子遷移現象和熱載子效應，通常在產品使用甚久之衰退期才會發生。 故障情形之統計分析 ： 指數型之分佈函數 使用在使用者之穩定期 Log-normal分佈函數 用在操作時間很長之衰退老化期之分析，如電子遷移現象，熱載子效應及封裝技術。 Weibull分佈函數 WeIbull分佈大部份用來預測早天期之產品可靠度問題。,14,可靠度測試方法,可靠度測試方法： 中高溫操作生命測試 (High Temperature Operating Life，HTOL) 可求出氧化矽、塊材矽基座及金屬離子之污染 。 低溫操作生命測試(Low Temperature Operating Life Test, LTOL) 可算出熱電子效應。 自動劈開測試(Autoclave Test, Pressure Cooker) 驗正塑膠封裝技術之可靠度及金屬連線與銲墊的腐蝕問題,溫濕度測試(Temperature/Humidity with Bias Test ) 通常加上直流偏壓，而記錄其電性行為之可靠度。 溫度週期和熱撞擊(Temperature Cycle and Thermal Shock) 可來預測封裝時之缺陷，如應力不平衡，晶粒貼合，焊接線及封裝龜裂等問題。 高溫儲存測試(High Temperature Storage) 可來加速測試機械封裝應力，構裝時之缺陷及金/鋁之銲接現象,15,加速測試因子與取樣數,電壓加速因子 (Voltage Acceleration Factor, VAF) : 其中約為12,Vfield是正常工作下之電壓，如3.3V或者5V，Vstress是要加速測試時所加之電壓。 溫度加速因子 (Temperature Acceleration Factor, TAF) : 其中Ea值約為0.3eV(以氧化矽為例子)，Tfield是正常之操作溫度，而Tstress則是要加速試之特殊溫度。 溼度和溫度之加速因子 (Humidity and Temperature Acceleration Factor, HTAF) 其中n值約為2至3，H2和H1分別是溫度T2和T1之濕度，Ea=0.50.9(封裝技術) 。,可透過各項加速因子，來決定取樣之樣品數。 舉例說明： 高溫加速老化之預燒程序(Burn-in Process) ： Vfield = 3.3V，Vstress = 4.6V Tfield = 323K (50)，Tstress = 398K (125) Ea= 0.3eV =1.2 k = 8.62x10-5 eV/°K 所以 VAF=36.3，而TATF=7.6 故樣本大小( Sample Size, SS)為 結論: 假如故障率只能容許20 FIT故障，而其標準工時數為1008小時，所以取樣之樣品數目要180顆，便可以完成整個高溫加速老化測試。,