浅谈:半导体芯片在精密烘箱老化研究

2021年01月25日

典型的半导体产品生命周期的可靠性通常用称为浴盆曲线的失效率曲线来表示,失效率随时间变化可以分成三个阶段:早期失效区(Infant mortality region) , 偶然失效区和耗损失效区。


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在第一个阶段早期失效区,这个阶段的产品在早期开始使用时失效率很高,同时失效率随时间快速下降,在汽车电子行业这一阶段被看作是低里程数故障,造成失效的主要原因是设计、原材料和生产过程中的缺陷,评估早期失效的测试一般叫 ELR (Early life reliability) 测试或称为老化(Burn-in) 测试。

 

第二个阶段被称为偶然失效区,在这个阶段产品的失效率保持稳定,失效率降至人们一般认为的随机失效率,失效的原因是随机的,比如EOS过电应力(Electrical over stress) 或温度变化等。

 

第三个阶段耗损区(Wear out region) , 这个阶段失效率会快速上升,产品开始达到其预期的使用寿命,失效的原因是产品长期使用所造成的磨损、疲劳、老化。

 

零缺陷检测方法的意图就是要将处于早期失效的产品筛选出来。

 

为了降低早期失效区的失效率,产品在投入前应进行适当的应力测试,老化测试(Burn in) 是一种应力测试方法,使用电压和温度加速芯片故障。老化测试基本模拟芯片的工作运行,使用电和温度应力使有潜在缺陷的芯片在短时间内达到其使用寿命。

 

同时随着工艺技术的不断发展,线宽和线间距变得更小,微小的残留物和微粒在晶圆良率和可靠性问题上扮演着越来越重要的角色,然而,无论是CP还是FT, 这些缺陷都不容易被筛选出来,在这种情况下,芯片供应商在产品交付前需要进行老化,然后再进行DC/AC 参数测试,以保证产品在工作条件下的性能。

 

但是由于老化会花费大量的时间及昂贵的成本,比如老化通常需要24小时有时甚至48小时的125℃高温条件,同时芯片需要放置在精密烘箱上加电应力来筛选有潜在缺陷的器件,费用昂贵,电压加速的方法逐渐被一些芯片制造商使用来剔除早期失效产品。

 

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台积电研究了一种0. 25um逻辑技术6晶体管SRAM 在FT (Final test) 环节的 DVS (Dynamic Voltage Stress) 筛选测试方法,并将改进后的 DVS 测试方法应用于台积电0. 18um逻辑技术6晶体管 SRAM 的CP环节测试。结果表明,该方法在CP和FT环节能有效地筛选出在应用中可能失效的产品。

 

实验选取一组经过DVS筛选的样本和另一组正常的未经过DVS筛选的样本,然后将这两组芯片放入精密烘箱中进行48小时的老化研究。与未经过DVS筛选样本相比,经过DVS筛选的样品,老化后失效率降低了约60%。同时DVS筛选筛选出来的失效样品,经分析大多为金属/聚合物(metal/poly) 残留物或颗粒。

 

DVS方法是在常温( (25℃) 下,施加1. 4倍Vdd 电压,在CP和FT环节进行30、40、50、60个回合的读写,然后测量DVS前后stand by 电流变化量。

 

CP环节晶圆级DVS筛选是DVS的首选方法,因为它节省了不必要的封装成本、测试时间。 这种方法不会带来额外的测试时间和精密烘箱的成本,同样适用于大多数逻辑产品,0. 18um以上或栅氧化层量更薄的先进的工艺,可以成功地筛选有潜在缺陷的芯片以达到零缺陷的目标。

 

以上检测方法,对于达到零缺陷的质量水平,预防和消除潜在失效是非常重要的。汽车电子是一个重要且发展迅速的行业,对半导体芯片有一些新的要求,如可靠性等。为了满足这些新的要求,需要一些新的检测方法,这些检测方法一方面可能需要花费更多的时间或更多的检测设备,带来成本的上升;另一方面可以提早发现问题,有利于降低整体成本。

 

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来源:广东宏展科技有限公司