半导体可靠性分析

1、1一、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二、影響元件之可靠度的主要因素1. 熱載子效應熱載子效應 (hot-carrier effect)2.電子遷移效應電子遷移效應 (electromigration)3. 氧化矽膜之可靠度量測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元件縮小時之可靠度問題 (device scaling)5. cmos門閂閉鎖現象門閂閉鎖現象 (coms latch-up)6. 封裝技術之可靠度封裝技術之可靠度 (package technology)三、故障

2、之機率分析函數三、故障之機率分析函數 四、可靠度測試方法四、可靠度測試方法 五、加速測試因子與取樣數五、加速測試因子與取樣數2可靠度分析：藉著研究元件的物理機制物理機制，並利用數學統計數學統計之分析技巧，以進行元件評估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產品的良率的良率 。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熱載子效應係指元件通道電場產

3、生的熱載子所造成元件性能退化影響之效應。熱載子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

4、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電子遷移現象電子遷移現象(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

5、)，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

6、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

7、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氧化矽膜崩潰之機制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(ox

8、ide 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氧化矽膜之故障模式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

9、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

10、 8mv/cm大於 2mv/cmc型式為大於8mv/cm 8電場強度電場強度(eox)測試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

11、15%電壓突增為比較理想。9縮小因素縮小因素(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)11expkmbm10閉鎖現象閉鎖現象(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

12、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封裝技術之可靠度的影響因素：晶片貼合(die bonding)焊接技術(wire bonding) 密

13、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

14、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

15、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 ) fit1 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) = 時，t 則稱為lifetime。f(t)1-e- t = t = ln2/ dttftft tftftrtf1013故障情形之分類：故障率之浴缸曲線(bath-tub curve)早夭期早夭期(early failure ) ：操作時間短便故障。cmo

16、s之閉鎖複象則處於製造商之早夭期便會偵測出來。穩定期穩定期(useful life)元件衰退期元件衰退期(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、

17、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

18、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，v