半导体可靠性分析

,按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片本文樣式,第二階層,第三階層,第四階層,第五階層,*,*,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,1,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,2,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-SiO,2,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-SiO,2,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(,I,sub,),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(200,KV/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-SiO,2,，,能障情形下，注入閘極氧化膜。,3,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,-n,exp E,a,/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,4,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, Q,BD,),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,。,Q,BD,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,。,5,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,6,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2,MV/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2,MV/cm，,小於8,MV/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8,MV/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2,MV/cm;B,型式則為小於 8,MV/cm,大於 2,MV/cmC,型式為大於8,MV/cm,7,氧化矽膜之可靠度量測 (4),電場強度(,E,ox,),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,：,Q,BD,量測是氧化矽膜品質之重要指標。,Q,BD,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10,1/2,倍/秒，以15%電壓突增為比較理想。,8,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 (,I,sub,),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),9,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 。,10,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。,11,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10,9,元件-小時之倒數,1,FIT = ,10,9,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),= ,時,，t,則稱為,lifetime。,F(t)1-e,- t,= ,t = ln2/ ,12,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。,13,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,14,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,V,field,是正常工作下之電壓，如3.3,V,或者5,V，V,stress,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0.3,eV(,以氧化矽為例子)，,T,field,是正常之操作溫度，而,T,stress,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，,H,2,和,H,1,分別是溫度,T,2,和,T,1,之濕度，,E,a,=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),：,V,field,= 3.3V，,V,stress,= 4.6V,T,field,= 323K (50)，,T,stress,= 398K (125),E,a,= 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。,15,