Diese Bachelorarbeit soll die Grundlage für hochbeschleunigte Zuverlässigkeitstests auf Waferebene unter Verwendung von In-Situ-Heizelementen aus polykristallinem Silizium bilden. Nach einer Einführung in die Zuverlässigkeitstheorie wird eine Auswahl an Zuverlässigkeitstest vorgestellt. Diese sind momentan, durch den Einsatz von Hot-Chuck's, noch recht zeitaufwändig und verlangen daher nach einer alternativen Wärmequelle. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ausweg beschreibt einen Polysilizium-Widerstand direkt in der zu beheizenden Struktur. Weiterhin wird die Wärmeausbreitung durch thermische Simulationen dargestellt. Am Ende dieser Arbeit wird noch die mögliche Temperaturmessung an solchen Teststrukturen vorgestellt.
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung
2. Zuverlässigkeit
2.1. Zuverlässigkeitstheorie
2.2. Grundlegende Zusammenhänge
2.3. Mean-Time-To-Failure (MTTF)
2.4. Mean Life (θ)
2.5. Mean-Time-Between-Failure (MTBF)
2.6. Fehlermodellierung
2.7. Typische Fehlerraten-Kurve
3. Analysemethoden
3.1. Optische Analyse
3.2. Elektrische Analyse
4. Zuverlässigkeitstests auf Waferebene
4.1. Interconnect Reliability
4.1.1. SPIKE-Test
4.1.2. Elektromigration-Test
4.2. MOS Reliability
4.2.1. Time Dependent Dielectric Breakdown
4.2.2. Hot-Carrier-Injection Test
4.2.3. Mobile Ion Test
5. Der Übergang zu hochbeschleunigten Zuverlässigkeitstests
6. Polykristallines Silizium als Heizelement
6.1. Allgemeines zum polykristallinen Silizium
6.2. Herstellung und Eigenschaften
6.2.1. Herstellung von polykristallinen Siliziumschichten
6.2.2. Leitfähigkeit polykristalliner Siliziumschichten
6.3. Die Joule'sche Erwärmung
6.4. Dimensionierung von Polysilizium-Heaterstrukturen
6.4.1. Herstellung der Struktur
6.4.2. Der Widerstand des Polysilizium-Heaters
6.4.3. Dimensionierung der Oxiddicken
6.4.3.1. Minimale Feldoxiddicke für Interconnect-Strukturen
6.4.3.2. Minimale Feldoxiddicke für MOS-Strukturen
6.4.3.3. Dimensionierung des Inter Layer Dielectric
6.5. Thermische Simulationen und Wärmeausbreitung
6.5.1. Thermische Simulation
6.5.2. Wärmeausbreitung an ausgewählten Teststrukturen
6.5.2.1 Wärmeausbreitung in Interconnect-Strukturen
6.5.2.1.1. Vertikale Wärmeausbreitung
6.5.2.1.2. Horizontale Wärmeausbreitung auf Leitbahnebene
6.5.2.2 Wärmeausbreitung in MOS-Strukturen
6.6. Alternative zu Polysilizium-Heizelementen
7. Standardmethoden zur Ermittlung von Temperaturkoeffizienten
7.1. Temperaturmessung an Metall-Leitbahnen
7.2. Temperaturmessung an pn-Übergängen
8. Zusammenfassung
9. Quellenverzeichnis
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht Möglichkeiten, Zuverlässigkeitstests auf Waferebene durch den Einsatz von In-Situ-Heizelementen aus polykristallinem Silizium zu beschleunigen. Ziel ist es, die zeitraubende Verwendung herkömmlicher Methoden wie Hot-Chuck-Systeme durch lokal effizientere Heizstrukturen zu ersetzen und somit Testzeiten sowie Kosten in der Halbleiterfertigung zu reduzieren.
- Grundlagen der Zuverlässigkeitstheorie und Fehlermodellierung
- Analyse- und Testmethoden für Interconnects und MOS-Strukturen
- Entwurf und Dimensionierung von Polysilizium-Heizelementen
- Thermische Simulation der Wärmeausbreitung mittels ThSim
- Methoden zur präzisen Temperaturmessung an Teststrukturen
Auszug aus dem Buch
3. Analysemethoden
Da nach dem Start einer neuen Produktionslinie oder Technologie meist viele Ausfälle zu verzeichnen sind, müssen spezielle Teststrukturen auf den Wafern platziert werden, um die Ursachen zu suchen und zu beseitigen. Diese sollen helfen Probleme in der Fertigung sichtbar und auch messbar zu machen. Platziert werden können diese zum einen in den Sägebahnen (scribe line modul) des Wafers oder direkt als Testchip (primary modul) in einem Modul.
Die Teststrukturen werden hierbei im Allgemeinen mit den Abmessungen für den Worst-Case-Fall entwickelt, um gezielt auf physikalische Effekte während der Herstellung zu reagieren und anderweitige Einflüsse so gering wie möglich zu halten.
Im Anschluss an die Produktion eines Wafers werden nun die unterschiedlichsten Tests durchlaufen, um eine Aussage über die Zuverlässigkeit und Qualität zu treffen, sowie eine Extrapolation auf die erwartete Lebensdauer durchgeführt.
Für die Analyse eines Wafers bzw. des Herstellungsprozesses stehen sowohl optische als auch elektrische Methoden zur Verfügung, die im Anschluss erläutert werden sollen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einführung: Es wird die Notwendigkeit schnellerer Zuverlässigkeitstests in der Halbleiterfertigung begründet und das Ziel der Arbeit, In-Situ-Heizelemente zu untersuchen, definiert.
2. Zuverlässigkeit: Dieses Kapitel erläutert mathematische Grundlagen wie MTTF, MTBF und die Badewannen-Kurve zur Modellierung von Bauteilausfällen.
3. Analysemethoden: Es werden optische und elektrische Verfahren vorgestellt, um Schwachstellen auf Wafern effektiv zu identifizieren und zu charakterisieren.
4. Zuverlässigkeitstests auf Waferebene: Ein Überblick über gängige Testverfahren zur Untersuchung der Integrität von Interconnects und MOS-Strukturen unter Stress.
5. Der Übergang zu hochbeschleunigten Zuverlässigkeitstests: Motivation für den Ersatz zeitintensiver thermischer Standardverfahren durch lokalisierte, schnelle Heizmethoden.
6. Polykristallines Silizium als Heizelement: Das Kernkapitel behandelt die Herstellung, elektrische Dotierung und Dimensionierung von Polysilizium-Heizern inklusive detaillierter thermischer Simulationen.
7. Standardmethoden zur Ermittlung von Temperaturkoeffizienten: Hier werden technische Ansätze zur Kalibrierung der Temperaturmessung an metallischen Leitbahnen und pn-Übergängen beschrieben.
8. Zusammenfassung: Ein Fazit zu den gewonnenen Erkenntnissen über den Einsatz von In-Situ-Heizelementen und ein Ausblick auf notwendige Verifizierungen.
9. Quellenverzeichnis: Auflistung der verwendeten Literatur, Standards und Internetquellen.
Schlüsselwörter
Zuverlässigkeit, Wafer Level Reliability, Waferebene, Polysilizium, Heizelement, Elektromigration, MOS-Struktur, Thermische Simulation, ThSim, Joule'sche Erwärmung, Temperaturkoeffizient, Teststruktur, Halbleiterfertigung, Burn-In, Prozessmonitoring
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung und Beschleunigung von Zuverlässigkeitstests in der Halbleiterfertigung durch den Einsatz spezieller lokaler Heizelemente auf den Wafern.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Arbeit deckt die Zuverlässigkeitstheorie, gängige Testmethoden auf Waferebene, den Entwurf von Heizstrukturen sowie thermische Simulationen ab.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist es, den zeitaufwendigen Prozess des Aufheizens ganzer Wafer mittels externer Thermochucks durch in-situ integrierte Polysilizium-Widerstände zu ersetzen.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Es werden mathematische Modelle für die Zuverlässigkeit, physikalische Berechnungen zur Jouleschen Wärme sowie numerische thermische Simulationen mittels ThSim und PSpice eingesetzt.
Was wird schwerpunktmäßig im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil fokussiert sich auf die Materialeigenschaften von polykristallinem Silizium, die Dimensionierung der Strukturen unter Berücksichtigung von Wärmeübergängen und die Validierung durch thermische Simulationen.
Welche Schlüsselbegriffe definieren den Inhalt?
Wichtige Begriffe sind Wafer Level Reliability (WLR), Polysilizium-Heizelemente, Elektromigration, MOS-Strukturen und thermische Wärmeausbreitung.
Warum ist die lokale Beheizung gegenüber herkömmlichen Thermochucks vorteilhaft?
Lokale Heizung vermeidet die thermische Ausdehnung des gesamten Wafers, erfordert keine zeitintensive Ansteuerung großer Massen und ermöglicht extrem kurze Testzeiten.
Welche Rolle spielt die Trennoxidschicht bei den Simulationen?
Die Trennoxidschicht dient als thermischer Widerstand zwischen Heizstruktur und Substrat; die Wahl ihrer Dicke ist entscheidend für den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung.
Wie lässt sich die Temperatur an den Teststrukturen messen?
Die Messung erfolgt indirekt, indem der temperaturabhängige Widerstand der Metallleitbahnen oder das Verhalten von pn-Übergängen (Diodenkennlinie) zur Temperaturbestimmung genutzt wird.
- Quote paper
- David Weinberger (Author), 2011, Polysilizium-Heaterstrukturen für den Einsatz in hochbeschleunigten Zuverlässigkeitstests auf Waferebene, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/200353
