DIN EN 62374-1-2011 Semiconductor devices - Part 1 Time-dependent dielectric breakdown (TDDB) test for inter-metal layers (IEC 62374-1 2010) German version EN 62374-1 2010 + AC 201.pdf

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1、Juni 2011DEUTSCHE NORM DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDEPreisgruppe 14DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 31.

2、080.01!$mmx“1747485www.din.deDDIN EN 62374-1Halbleiterbauelemente Teil 1: Prfung auf zeitabhngigen dielektrischen Durchbruch (TDDB)bei Isolationsschichten zwischen metallischen Leiterbahnen(IEC 62374-1:2010);Deutsche Fassung EN 62374-1:2010 + AC:2011Semiconductor devices Part 1: Time-dependent diele

3、ctric breakdown (TDDB) test for inter-metal layers(IEC 62374-1:2010);German version EN 62374-1:2010 + AC:2011Dispositifs semiconducteurs Partie 1: Essai de rupture dilectrique en fonction du temps (TDDB) pour les couchesintermtalliques (CEI 62374-1:2010);Version allemande EN 62374-1:2010 + AC:2011Al

4、leinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 18 SeitenDIN EN 62374-1:2011-06 2 Anwendungsbeginn Anwendungsbeginn fr die von CENELEC am 2010-11-01 angenommene Europische Norm und die am 2011-04-01 angenommene Berichtigung AC als DIN-Norm ist 2011-06-01. Diese

5、Norm enthlt die Berichtigung EN 62374-1:2010/AC:2011. Nationales Vorwort Vorausgegangener Norm-Entwurf: E DIN IEC 62374-1:2008-02. Fr diese Norm ist das nationale Arbeitsgremium K 631 Halbleiterbauelemente“ der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik im DIN und VDE (www

6、.dke.de) zustndig. Die enthaltene IEC-Publikation wurde vom TC 47 Semiconductor devices“ erarbeitet. Das IEC-Komitee hat entschieden, dass der Inhalt dieser Publikation bis zu dem Datum (stability date) unverndert bleiben soll, das auf der IEC-Website unter http:/webstore.iec.ch“ zu dieser Publikati

7、on angegeben ist. Zu diesem Zeitpunkt wird entsprechend der Entscheidung des Komitees die Publikation besttigt, zurckgezogen, durch eine Folgeausgabe ersetzt oder gendert. Die in der Norm enthaltene Berichtigung EN 62374-1:2010/AC:2011 nimmt den Ersatzvermerk zurck. EN 62374:2007 bleibt also weiterh

8、in aktuell. EUROPISCHE NORM EUROPEAN STANDARD NORME EUROPENNE EN 62374-1 November 2010 + AC April 2011 ICS 31.080 Deutsche Fassung Halbleiterbauelemente Teil 1: Prfung auf zeitabhngigen dielektrischen Durchbruch (TDDB) bei Isolationsschichten zwischen metallischen Leiterbahnen (IEC 62374-1:2010) Sem

9、iconductor devices Part 1: Time-dependent dielectric breakdown (TDDB) test for inter-metal layers (IEC 62374-1:2010) Dispositifs semiconducteurs Partie 1: Essai de rupture dilectrique en fonction du temps (TDDB) pour les couches intermtalliques (CEI 62374-1:2010) Diese Europische Norm wurde von CENE

10、LEC am 2010-11-01 angenommen. Die Berichtigung tritt am 2011-04-01 zur Einarbeitung in die drei offiziellen Sprachfassungen in Kraft. Die CENELEC-Mitglieder sind gehalten, die CEN/CENELEC-Geschftsordnung zu erfllen, in der die Bedingungen festgelegt sind, unter denen dieser Europischen Norm ohne jed

11、e nderung der Status einer nationalen Norm zu geben ist. Auf dem letzten Stand befindliche Listen dieser nationalen Normen mit ihren bibliographischen Angaben sind beim Zentralsekretariat oder bei jedem CENELEC-Mitglied auf Anfrage erhltlich. Diese Europische Norm besteht in drei offiziellen Fassung

12、en (Deutsch, Englisch, Franzsisch). Eine Fassung in einer anderen Sprache, die von einem CENELEC-Mitglied in eigener Verantwortung durch bersetzung in seine Landessprache gemacht und dem Zentralsekretariat mitgeteilt worden ist, hat den gleichen Status wie die offiziellen Fassungen. CENELEC-Mitglied

13、er sind die nationalen elektrotechnischen Komitees von Belgien, Bulgarien, Dnemark, Deutschland, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Kroatien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta, den Niederlanden, Norwegen, sterreich, Polen, Portugal, Rumnien, Schweden, der Schweiz

14、, der Slowakei, Slowenien, Spanien, der Tschechischen Republik, Ungarn, dem Vereinigten Knigreich und Zypern. CENELEC Europisches Komitee fr Elektrotechnische Normung European Committee for Electrotechnical Standardization Comit Europen de Normalisation Electrotechnique Zentralsekretariat: Avenue Ma

15、rnix 17, B-1000 Brssel 2010 CENELEC Alle Rechte der Verwertung, gleich in welcher Form und in welchem Verfahren, sind weltweit den Mitgliedern von CENELEC vorbehalten. Ref. Nr. EN 62374-1:2010 + AC:2011 DDIN EN 62374-1:2011-06 EN 62374-1:2010 + AC:2011 Vorwort Der Text des Schriftstcks 47/2063/FDIS,

16、 zuknftige 1. Ausgabe von IEC 62374-1, ausgearbeitet von dem IEC TC 47 Semiconductor devices“, wurde der IEC-CENELEC Parallelen Abstimmung unterworfen und von CENELEC am 2010-11-01 als EN 62374-1 angenommen. Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Elemente dieses Dokuments Patentrechte b

17、erhren knnen. CEN und CENELEC sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. Nachstehende Daten wurden festgelegt: sptestes Datum, zu dem die EN auf nationaler Ebene durch Verffentlichung einer identischen nationalen Norm oder durch Anerkennung bernom

18、men werden muss (dop): 2011-08-01 sptestes Datum, zu dem nationale Normen, die der EN entgegenstehen, zurckgezogen werden mssen (dow): 2013-11-01 Anerkennungsnotiz Der Text der Internationalen Norm IEC 62374-1:2010 wurde von CENELEC ohne irgendeine Abnderung als Europische Norm angenommen. 2 DIN EN

19、62374-1:2011-06 EN 62374-1:2010 + AC:2011 Inhalt SeiteVorwort .2 1 Anwendungsbereich.4 2 Begriffe .4 3 Prfeinrichtung .5 4 Prflinge .5 4.1 Allgemeines5 4.2 Teststruktur 5 5 Prfdurchfhrung7 5.1 Allgemeines7 5.2 Vorprfung7 5.3 Prfbedingungen7 5.4 Ausfallkriterien8 6 Lebensdauerschtzung9 6.1 Allgemeine

20、s9 6.2 Beschleunigungsmodell .10 6.3 Gleichung zum E-Modell 10 6.4 Verfahren zur Schtzung der Lebensdauer .10 7 Abhngigkeiten der Lebensdauer von der Flche der Isolationsschicht .12 8 Liste wichtiger Angaben .13 Anhang A (informativ) Technische Erluterungen zur Schtzung der Lebensdauer14 A.1 Typisch

21、er Wert des Beschleunigungsfaktors.14 A.2 Verfahren zum Erstellen von Kurvendiagrammen mittels Weibullfunktion 14 Literaturhinweise 16 Bilder Bild 1 Schematische Darstellung einer Teststruktur (Kamm-Mander-Struktur) 6 Bild 2 Schematische Darstellung einer Teststruktur (Kamm-Kamm-Struktur)6 Bild 3 Qu

22、erschnitt einer Teststruktur mit einem Leiter neben einem durchkontaktiertem (stacked) Leiter einschlielich Via7 Bild 4 Querschnitt einer Teststruktur mit zwei nebeneinanderliegenden durchkontaktierten (stacked) Leitern einschlielich Via7 Bild 5 Ablaufdiagramm fr das CVS-Prfverfahren.9 Bild 6 Weibul

23、lverteilung .11 Bild 7 Schtzverfahren zum Beschleunigungsfaktor in Abhngigkeit von der elektrischen Feldstrke.11 Bild 8 Schtzverfahren fr die Aktivierungsenergie bei Verwenden eines Arrheniusdiagramms .12 3 DIN EN 62374-1:2011-06 EN 62374-1:2010 + AC:2011 1 Anwendungsbereich Dieser Teil der IEC 6237

24、4 legt ein Prfverfahren, eine Teststruktur und ein Verfahren zum Abschtzen der Bauelemente-Lebensdauer bei Prfbeanspruchungen gegen den zeitabhngigen dielektrischen Durchbruch (TDDB, en: time dependent dielectric breakdown) fr in Halbleiterbauelementen verwendete Isolations-schichten zwischen nebene

25、inander liegenden metallischen Leiterbahnen fest. 2 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die folgenden Begriffe. 2.1 Leckstrom durch die zwischenliegende Isolationsschicht IleakLeckstrom durch die Isolationsschicht bei angelegter Betriebsspannung 2.2 ursprnglicher Leckstrom durch die zw

26、ischenliegende Isolationsschicht Ileak-0Leckstrom durch die Isolationsschicht vor der Beanspruchung mit einer Prfspannung 2.3 Brdenstrom Laststrom, Compliance-Strom Icomphchster Ausgangsstrom der spannungstreibenden Einrichtung (Schaltung) ANMERKUNG Ein Grenzwert zum Laststrom kann fr eine bestimmte

27、 Beanspruchung festgelegt werden. 2.4 gemessener Leckstrom durch die zwischenliegende Isolationsschicht ImeasLeckstrom, der bei der CVS-Prfung (CVS, en: constant voltage stress) gemessen wird 2.5 Dauer bis zum Durchbruch tbdSumme der einzelnen Zeitabschnitte, bei denen die Beanspruchungsspannung an

28、die zwischenliegende Isolationsschicht angelegt wird, bis ein Ausfall auftritt ANMERKUNG Bei der CVS-Prfung wird zum Messen und zur Prfbeurteilung die angelegte Prfspannung wiederholt unterbrochen (siehe Bild 5). 2.6 Dicke der Isolationsschicht tdphysikalische Dicke der Isolationsschicht, welche sic

29、h zwischen den metallischen Leitern befindet 2.7 Beanspruchungsspannung Ustress Spannung, welche bei der CVS-Prfung angelegt wird 4 DIN EN 62374-1:2011-06 EN 62374-1:2010 + AC:2011 2.8 Betriebsspannung Uuse Spannung, welche bei der Vorprfung (Pre-Test) angelegt wird und die auch fr die Schtzung der

30、Lebens-dauer verwendet wird ANMERKUNG Diese Spannung ist blicherweise die Versorgungsspannung. 2.9 Lnge der Metallelektrode Lnge des metallischen Leiters L Gesamtlnge der Metallelektrode, die sich auf der Isolationsschicht befindet 2.10 elektrische Feldstrke in der zwischenliegenden Isolationsschich

31、t Eimelektrische Spannung ber einer Isolationsschicht, dividiert durch die horizontale Breite dieser Schicht zwischen den metallischen Leitern ANMERKUNG Die Breite der Isolationsschicht sollte nach einem dokumentierten konsistenten Verfahren ber physika-lische Messverfahren wie SEM, TEM oder einem a

32、nderen bestimmt werden. Das Messverfahren oder ein Verweis auf eine dokumentierte Norm, in der das Messverfahren beschrieben ist, sollte im Prfbericht angegeben werden. 3 Prfeinrichtung Das TDDB-Prfverfahren kann sowohl fr in Gehusen montierte Bauelemente (Package-Level) als auch auf dem Wafer befin

33、dliche (unverkappte) Bauelemente (Wafer-Level) angewandt werden. Fr das Prfen auf dem Gehuse-Level ist eine Hochtemperatur-Wrmekammer zu verwenden. Im Falle des Prfens auf dem Wafer-Level ist ein Wafer-Prober mit einem heizbaren Test-Board oder einer heizbaren Messfassung erforderlich. Fr die ausrei

34、chende Messbereichsauflsung sind auerdem entsprechend ausgestattete Mess-gerte notwendig, um die nderung des Leckstroms bei hohen Temperaturen zu erfassen. ANMERKUNG Die Prfung auf Bauelementebasis (Package-Level) ist eine Prfung mit in Bauelementegehusen montierten Teststrukturen. 4 Prflinge 4.1 Al

35、lgemeines Die Prflinge fr die TDDB-Prfung von Isolationsschichten zwischen metallischen Leitern mssen die u. a. Teststrukturen haben. 4.2 Teststruktur Eine geeignete Teststruktur fr dieses Prfverfahren ist, wie in Bild 1 dargestellt, eine Teststruktur mit inein-andergreifenden Strukturen, die aus ka

36、mm- und manderartigen metallischen Leitern bestehen, welche mit der Spannungsquelle verbunden sind. Es gibt auch eine alternative Struktur, die aus zwei ineinander-greifenden Kammstrukturen besteht und im Bild 2 dargestellt ist. Die metallischen Leiter der Teststruktur mssen so gestaltet werden, das

37、s unerwartete Ausflle auerhalb der Teststrukturelemente whrend der TDDB-Beanspruchung vermieden werden. Teststrukturen mit Vias (Bilder 3 und 4) sind fr die Untersuchun-gen notwendig, weil sie andere Ausfallmechanismen als ausschlielich nebeneinanderliegende Teststruktur-Leiterbahnen (Line-to-Line-S

38、trukturen) ohne Vias haben. Teststrukturen mit kamm- und manderfrmigen Strukturen werden empfohlen, falls nichts anderes festgelegt wurde. Der kleinste Abstand zwischen den Leitern ist von entscheidender Bedeutung hinsichtlich des Ausfallmechanismus. Aus diesem Grunde sollte der kleinste Abstand, we

39、lcher nach den Entwurfsregeln zulssig ist, bewertet werden. Ein Bereich von 0,01 m bis 1 m wird fr die Gesamtlnge des metallischen Leiters empfohlen. Fr die genaue Schtzung der Lebens-5 DIN EN 62374-1:2011-06 EN 62374-1:2010 + AC:2011 dauer wird empfohlen, mindestens drei Bauelementeausfhrungen bezo

40、gen auf die Flche oder Lnge zu verwenden, damit ein korrektes Skalieren durchgefhrt werden kann. Die o. a. Festlegungen mssen fr die konstruktiven Merkmale der Teststruktur verwendet werden, falls nichts anderes festgelegt wurde. Bild 1 Schematische Darstellung einer Teststruktur (Kamm-Mander-Strukt

41、ur) Bild 2 Schematische Darstellung einer Teststruktur (Kamm-Kamm-Struktur) 6 DIN EN 62374-1:2011-06 EN 62374-1:2010 + AC:2011 Bild 3 Querschnitt einer Teststruktur mit einem Leiter neben einem durchkontaktiertem (stacked) Leiter einschlielich Via Bild 4 Querschnitt einer Teststruktur mit zwei neben

42、einanderliegenden durchkontaktierten (stacked) Leitern einschlielich Via 5 Prfdurchfhrung 5.1 Allgemeines In diesem Abschnitt wird die Prfdurchfhrung beschrieben. Im Bild 5 ist der Ablauf als Flussdiagramm fr das CVS-Prfverfahren (CVS, en: constant voltage stress) dargestellt. 5.2 Vorprfung Eine Vor

43、prfung (Pre-Test) wird durchgefhrt, um die bereits vor der Prfbeanspruchung fehlerhaften bzw. ausgefallenen Prflinge (Initialausflle) zu ermitteln. Der Leckstrom wird bei angelegter Betriebsspannung gemessen. Falls der gemessene Strom grer als der Prf-Grenzwert ist, ist der Prfling als Initialausfal

44、l zurckzuweisen. Falls eine Ausfallverteilung gefordert wird, kann das CVS-Prfverfahren ohne Vorprfung effektiver sein. In diesem Fall kann die Vorprfung weggelassen werden. 5.3 Prfbedingungen 5.3.1 Allgemeines Fr die TDDB-Prfung werden die folgenden Prfbedingungen empfohlen. Der Stichprobenumfang s

45、ollte so gewhlt werden, dass er dem notwendigen Vertrauensniveau fr die Anwendung entspricht. 5.3.2 Elektrische Feldstrke Ustressmuss mittels einer Versuchsbeanspruchung bestimmt werden, um die TDDB-Lebensdauerdaten in einer vertretbaren Dauer zu erhalten. Es wird empfohlen, mindestens drei elektris

46、che Feldstrken zu verwenden, um den Beschleunigungsfaktor hinsichtlich der Feldstrke abzuschtzen. 7 DIN EN 62374-1:2011-06 EN 62374-1:2010 + AC:2011 5.3.3 Temperatur Es wird empfohlen, mindestens drei Temperaturen zu verwenden. Die Betriebs-Sperrschicht-Temperatur muss im Prf-Temperaturbereich entha

47、lten sein, mit dem der Beschleunigungsfaktor bezogen auf die Temperatur (Aktivierungsenergie) ermittelt wird. 5.4 Ausfallkriterien Falls nicht anderweitig festgelegt, zeigt ein Strom Imeas, der grer ist als der Prf-Grenzwert, einen Bauelementefehler an. Die Messbedingungen (Temperatur, elektrische F

48、eldstrke) mssen zur Prfbeurtei-lung auf Betriebs- bzw. Prfbedingungen eingestellt werden. Der Prf-Grenzwert fr die Leckstrom-Drift muss festgelegt werden, und zwar unter Bercksichtigung von Initialstrom, Auflsung des Messgertes und Bauelementespezifikation. 8 DIN EN 62374-1:2011-06 EN 62374-1:2010 +

49、 AC:2011 t, tmax, tintervalGesamtdauer bezogen auf Prfbeanspruchung, Dauer bei hchster Prfbeanspruchung fr die Bewertung, Dauer je Ablaufschritt bei Prfspannungsbeanspruchung Bild 5 Ablaufdiagramm fr das CVS-Prfverfahren 6 Lebensdauerschtzung 6.1 Allgemeines In diesem Abschnitt wird das Verfahren beschrieben, mit dessen Hilfe die B