신뢰성 평가

1. 신뢰성 평가

   제품이나 부품이 사용 기간 동안 고장 없이 얼마나 오랫동안 안전하고 편리하게 사용할 수 있는지를 나타내는 정량적인 수치로 나타내는 평가지표

1-1. 시험 분석 분야

    크게 Hot Carrier, BTI(Bias Temperature Instability), TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)로 구분

  수동 소자인 캐패시터, 저항의 경우 Voltages Stress or Current Stress로 신뢰성 평가.

   후공정인 배선의 경우 EM(Electro Migration) or SM(Stress Migration)등의 신뢰성 항목이 있음

 

1-1-1. Hot Carrier Lifetime

    Hot Carrier라고 명명된 고 에너지 캐리어는 MOSFET 소자의 드레인 근처의 높은 채널 전기장에 의해 발생한다. 핫 캐리어는 포논 방출을 통해 실리콘 격자에 에너지를 전달하고 실리콘/실리콘 산화막 계면 내 본드를 파괴한다. 일부 ㅏㅅ 캐리어는 실리콘 산화막 내부로 주입되어 Trapping되기도 한다. 실리콘 산화막 내 Trapping 또는 본드 파괴는 산화막 전하와 계면 전하를 생성하고 캐리어의 이동도의 감소를 일으킨다. 문턱전압(Threshold Voltage)가 증가하고 Trnasconductance와 Drain Current가 감소하여 소자 성능이 감소한다. 위 세가지 변수들의 변화율을 Stress 시간에 따라 측정되고 동작 전압에서의 Lifetime을 추출한다. 

 

1-1-2. NBTI(Negative Bias Temperature Instability) Lifetime 추출

   BTI 신뢰성 항목은 NMOS에 대한 PBTI / PMOS에 대한 NBTI로 구분한다. NMOS의 PBTI보다는 PMOS의 NBTI 열화가 더 크기 때문에 NBTI 신뢰성이 주로 평가된다. PMOSFET채널의 Hold이 실리콘/실리콘 산화막 계면에서 실리콘화합물과 반응하여 Donor형태의 interface state와 양 고정 전하(Postive Fixed Charge)를 생성한다. 소자의 열화를 발생시키는 전기-화학 반응은 게이트 수직 전기장과 tress 온도에 크게 의존하여 NBTI 평가는 고온에서 실시한다. NBTI Stress에 의한 Interface State의 생성과 양 고정 전하의 형성은 문턱전압 증가를 초래한다. 문턱 전압 변화는 NBTI Stress에 의한 MOSFET열화를 추적하는 데 사용하는 일반적인 소자 변수이다.

 

1-1-3. TDDBI(Time Dependent Dielectric Breakdown) Lifetime 추출

   MOSFET이나 캐패시터 특성을 결정짓는 핵심 물질인 절연막(Dielectric)의 시뇌성은 매우 중요하다. MOS Gate 산화막이 점점 얇아 짐에 따라 산화막 파괴(Oxide Breakdown)가 신뢰성에 큰 영향을 미친다. 고유전체 박막(High-k Dielectric)이 게이트 절연막이나 캐패시터의 절연막으로 사용되면서 TDDB 신뢰성은 더욱 중요해졌다. 일정한 전압을 지속적으로 인가하는 경우 시간에 따른 게이트 전류 변화량을 확인할 수 있는데, 초기에는 Hold trapping에 의해 Gate 전류가 증가하며, 이후 Electron Trapping에 의해 전류가 감소하다가 Break down이 발생한다.

출처 :

1) 한국센서 연구소