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「恆溫電致遷移測試」在晶圓式可靠性測試的應用

   日期:2005/5/2   來源:半導體科技    

"李守忠、李順益 / 台灣積體電路製造股份公司 品質暨可靠性保證部
 
晶圓層次可靠性測試(WLR)是一項快速且準確的可靠性測試方法,台積電於2001年第二季已成功地先將「熱載子注入」(Hot Carrier Injection)及「電致遷移」(Electromigration)兩項測試應用於生產線的WAT區域,本文專篇討論「恆溫電致遷移」的實驗原理及應用。

#P#可靠性評估
一般人在購買家電用品或是個人電腦的配備時,常會聽到一個名詞-「保固期限」,意思是「所購買的商品在正常使用條件下,若在保固期限內損壞,則廠商負責提供一個新的產品免費讓消費者維修或更換,以確保消費者使用權益」。然而,保固期限若是太長,廠商的售後成本提高,保固期限若是太短,消費者會降低購買的意願,那麼,到底該如何得知合理的產品固期限是多久,才能確保廠商的利潤與商譽呢?

 關於這一類型的問題,一般稱之為「可靠性評估」,可靠性(Reliability )可以簡單描述為:「產品在正常使用條件下,能順利工作的使用期限」,業者為了在短時間內得知某產品的使用壽命,通常會使用「加速壽命測試實驗」(Accelerated lifetime test )來解決這個問題,此種實驗是利用比正常工作條件更嚴格的工作環境(例如較高的環境溫度、電壓、電流、壓力等 )進行產品壽命測試,求得在惡化條件下的壽命,再利用生命期模型(Lifetime Model )計算出產品在正常使用條件下的壽命。

#P#依測試項目可分為「產品」與「製程」可靠性測試
在半導體廠的晶圓(Wafer)製造過程中,壽命測試實驗通常可分為二類,分別稱之為「產品可靠性」及「製程可靠性」。「產品可靠性」測試是指在晶片製造完成並進行初步封裝後,測試此產品在高溫度、高壓力、高濕度等的惡劣環境下的生命期,測試項目包括「溫溼度偏壓測試」(Temperature Humidity Bias Test,THB)、「高溫操作生命期測試」(High-Temperature Operation Lifetime,HTOL)、「溫度循環測試」(Temperature Cycling Test,TC)等。

 而「製程可靠性」是指晶圓在工廠初步生產完成時,針對半導體元件材料進行壽命測試,以確保產品在後續的製造過程中沒有可靠性的疑慮,這些項目包括前段製程(Front-end )的「閘極氧化層」(Gate Oxide Integrity,GOI )、「熱載子注入」(Hot Carrier Injection,HCI )及後段製程(Back-end process )的「金屬線電致遷移」(Electromigration,EM )等。


#P#「晶圓層次」可靠性測試的重要性
 晶圓廠的可靠性測試依其測試方法可以分為「晶圓層次」(Wafer-Level Reliability,以下簡稱WLR)及「封裝層次」(Package-Level Reliability,以下簡稱PLR)二種,其不同之處在於前者是將晶圓直接放置入一般生產線上的測試機台做測試,而後者則必需先將晶圓切割封裝成一顆顆的測試樣本(Device Under Test, DUT)之後,將這些樣本插入測試板(Burn-in Board),再將其放置於特殊的高溫爐內做測試。這二種測試方法各有其優缺點,如下表一所示。
#F#表一:「封裝層次」與「晶圓層次」可靠性測試的優缺點比較

 由表一可以看出,其實這二種測試的優缺點其實是互補的,台積從過去到現在一直提供客戶各種PLR測試的服務,為了保持台積過去對客戶的服務品質以及滿足不同客戶的需求,台積未來仍將繼續提供此項測試服務。然而,由於WLR的測試方法較快速且直接,在一切講求時效的晶圓廠來說,更具有其發展的重要性。若可以有效利用WLR的測試結果,我們就能在相當短的時間內判斷晶圓的可靠性是否有疑慮,以便做接下來的後續處理。這項優點可以有效提昇對客戶的服務品質及協助製程或研發工程師做製程改善的參考依據。

 舉例來說,如果一個新製程在五月初步研發完成,馬上進行傳統的PLR-EM可靠性品質測試,若測試結果不符合產品的設計規格,也要等到六月才能知道此項結果,經過改善之後,重新進行測試,實驗結果仍是要等到八月才能確定,不論最後是好是壞,都已經耽誤了開發新製程的時間。因此,若能藉由WLR-EM測試來縮短PLR-EM的測試時間,對晶圓廠縮短製造工時來說,將有莫大的幫助,所以台積在1999年開始即著力進行各項WLR測試的研究計劃,希望能在最短的時間內將WLR測試應用在台積的生產線內,替客戶做更好的可靠性品質管制。

#P#恆溫電致遷移測試
 本文的主要內容是探討WLR-EM在過去一年來的研究成果。先簡單地說,所謂EM是指當用以連接各個電晶體間的金屬導線(通常是鋁線)有電流長時間通過時,鋁原子會被電子流(electron wind force)由陰極端衝擊至陽極端,最終導致金屬線在陰極端因鋁原子「空乏」而斷線(Open)或是在陽極端「堆積」鋁原子而造成短路(short )的物理機制,這種現象會隨時間增加愈來愈嚴重,最後會使得積體電路無法正常工作,因此是一項重要而基本的可靠性測試項目。

 「恆溫電致遷移」(Isothermal Electromigration )就是一種WLR-EM的測試方法,此項測試可以在「HP4060系列」配合「自動化測試機台」(fully auto prober)上執行,其工作原理是在金屬導線上施加正常工作電流一百倍左右的電流密度,使其產生相當高的焦耳熱(Joule heating),配合本身的高電流密度,量測金屬線的失效時間,並藉此來評估金屬線的可靠性。

 控制焦耳熱大小的方法如圖一所示,我們先用小電流量測出金屬線在不同溫度下的電阻值,得知電阻與溫度的線性函數關係後(因為量測電流很小,此時可忽略焦耳熱),再利用大電流在室溫下所量得的電阻值配合先前求出的電阻與溫度關係,求出金屬線在高電流下的溫度。之所以稱為Isothermal EM,是因為在測試過程中,可藉由電腦程式(computer controlled program)來控制金屬線上的溫度維持在定值。
#F#圖一:金屬導線電阻與溫度的線性關係

 然而Isothermal EM 測試在業界並未被普遍使用,主要原因是仍有些爭議尚未釐清,首先是Isothermal EM的失效機制(Failure Mechanism )問題,由於Isothermal EM測試所施加的電流密度相當高,其數量級約為傳統PLR-EM測試的十倍,研究人員質疑金屬導線的斷線機制是由於鋁線因高溫而熔解(Melting),而非我們要量測的EM現象。其次,Isothermal EM與傳統PLR-EM測試的結果是否有相關性(Correlation),若是相關性不好的話,我們怎能相信Isothermal EM的測試結果是正確的呢?畢竟傳統的PLR-EM測試的測試條件較接近此金屬的正常使用條件,並廣為半導體業界所接受。

 針對上述二項爭議,本文提出各項實驗結果來說明Isothermal EM應用在金屬線EM可靠性的測試上是相當可行且有效率的。首先,我們由圖二說明,由此圖可以看出金屬線在Isothermal EM實驗過程中電阻變化與測試時間的關係,圖中可知電阻在測始初期(Stage A)緩緩上升,此段過程即為EM發生的現象(稍後說明),之後電阻開始急遽增加(Stage B),最後造成金屬線斷線,此過程則是由於高溫造成金屬線熔化所致。為了能確定金屬線的失效是由EM現象(Stage A)所造成,我們設定電阻增加2%的時間為金屬線的失效時間,並以此來做後續生命期計算的標準。
#F#圖二:Isothermal EM 測試過程中電阻隨時間的變化

 至於為何可以認為Stage A就是EM剛開始發生的階段呢?由圖三及圖四所示的掃描式電子顯微鏡(SEM)所拍攝出的照片可以看出,Isothermal EM的失效控制與傳統PLR-EM測試的失效機制是相當一致的。舉例來說,圖三的金屬線寬為0.44um,在經過Isothermal EM的實驗之後,在金屬線內可以看見一清楚的「縫隙型裂縫」(Slit-Shape),造成此縫隙的原因是由於鋁的晶粒大小(Grain Size)遠大於金屬線寬,使得此金屬線類似「竹節狀結構」(Bamboo Structure),在晶粒與晶粒之間的介面(Grain Boundary)的鋁原子較易被電子流衝擊而移動,所以會形成如縫隙形狀的裂縫,另外,圖四是線寬為3um的金屬線失效機制,圖三與圖四不同之處在於可以在圖四中清楚地看見許多空洞,這些空洞是由於電子流衝擊鋁晶粒與晶粒之間的原子所造成,不論是窄或寬的金屬線,Isothermal EM所觀察到的失效機制與傳統PLR-EM測試所看到的失效機制都是一致的(equivalent)。
#F#圖三:線寬為0.44um 金屬導線其Isothermal EM 故障分析
#F#圖四:線寬為 3um 金屬導線其Isothermal EM 故障分析

 另外一項用來確認Isothermal EM與傳統EM是否等效的方法是比較兩者的活化能(Activation Energy),我們求出在不同的測試溫度下的EM生命期(320C,340C及360C),如圖五所示,在傳統PLR-EM的活化能值約在0.7~0.9電子伏特之間,而由圖六可以求出Isothermal EM的活化能為0.85電子伏特,由此處的實驗結果也可以得知Isothermal EM與傳統PLR-EM測試是等效的(equivalent)。
#F#圖五:三個不同溫度下的Isothermal EM 生命期測試
#F#圖六:Isothermal EM 活化能實驗結果

 由以上SEM照片所得的故障分析及活化能的實驗結果可以得知,只要選定適當的失效判斷標準(Failure Criterion)-即2%的阻值增加即視為金屬線失效。我們就可以控制金屬線的失效是由EM現象所造成,而不是由於大電流所產生的高溫使得金屬線熔化所產生。

 前文中曾提到關於Isothermal EM未被廣泛使用的第二個原因在於此項測試與傳統PLR-EM的測試結果是否有良好的相關性?針對這個問題,我們設計了許多實驗來驗証,在此舉一例說明,圖七及圖八分別是晶片所測出傳統PLR-EM與Isothermal EM的測試結果,在此實驗中,我們有四片晶圓被分別用來做Isothermal EM及傳統PLR-EM測試,取任一晶片中的一半的測試樣本先做Isothermal EM,然後再將剩下一半的樣本簡單封裝後,做傳統的PLR-EM測試,由圖七及圖八的結果可以看出,兩者的測試結果非常一致(兩圖中,相同顏色代表同一片晶片),但是Isothermal EM所需的測試時間僅需2~3小時即可完成,而傳統PLR-EM測試卻需要400小時(約2~3週)才能完成,由此可以Isothermal EM是一項相當快速而有效率的測試方法。
#F#圖七:傳統 PLR-EM 測試四片晶圓之實驗結果
#F#圖八:Isoth
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