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IC 元件與製程之可靠度分析

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)

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IC 元件與製程之可靠度分析

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  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： 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 可靠度分析 (Reliability Analysis)

  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：MTTF＝AJ-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/cmC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. 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 △τ~ 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: △τ~ k-3 氧化矽厚度變薄之可靠度問題: τ(縮小)/τ(未縮小)= exp [- (k-1) 元件縮小(Device Scaling)之可靠度問題

  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α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。 故障之機率分析函數 • 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λ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： 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 可靠度測試方法

  15. 電壓加速因子 (Voltage Acceleration Factor, VAF) : 其中η約為1～2,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=0.5～0.9(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 η=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。 加速測試因子與取樣數

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