ðỘ TIN CẬY CỦA QUÁ TRÌNH BÁN DẪN

1. Mở ñầu
Nghiên cứu ñộ tin cậy bán dẫn ñược dùng lượng hóa ñặc tính suy tàn (wear out)
của linh kiện bán dẫn. ðể ước lượng ñộ tin cậy của sản phẩm bán dẫn, cần xem xét nhiều
yếu tố. Một sản phẩm bán dẫn thường gồm một khuôn gắn vào võ bằng cách hàn hay dán
epoxy, dùng dây tạo kết nối mạch từ khuôn ñến các chân của linh kiện. Vấn ñề là phần
tử này dù riêng lẽ hay tương tác nhau ñều có khả năng tạo hỏng hóc cho linh kiện. ðể ño
lường hệ thống phần tử này, cần thiết kế thử nghiệm ñộ tin cậy có nhấn mạnh ñến từng
phần tử trong toàn sản phẩm. Khuôn bán dẫn thường là phần tử khối phức tạp nhất trong
sản phẩm nên dễ bị hỏng hóc nhất.
Mục tiêu nghiên cứu ñộ tin cậy của bán dẫn bảo ñảm ñược là quá trình sản xuất tạo
sản phẩm có ñộ tin cậy dài hạn chấp nhận ñược. Mục tiêu thường ñược thực hiện qua
chuỗi các thử nghiệm stress lên phương tiện sản xuất với nhiều tầm hoạt ñộng khác nhau.
Chức năng linh kiện bị giảm cấp ñược giám sát trong suốt quá trình thử nghiệm. Thử
nghiệm stress ñược dùng trên linh kiện bị giảm chất lượng tham số hay hỏng hóc tai biến
(catastrophic). Các thử nghiệm này cho phép tìm ra cơ chế về giới hạn của ñộ tin cậy
trong quá trình sản xuất bán dẩn.
Phân tích thống kê dữ liệu thực nghiệm cho phép thiết lập mô hình huớng dẫn ñộ tin
cậy cho quá trình bán dẫn. Mô hình này có thể ñơn giản khi ước lượng tính năng linh kiện
trong môi trường cho trước hay phức tạp hơn như mô hình dự báo thống kê ñộ tin cậy.
Hơn nữa, cơ chế hỏng hóc chủ yếu làm suy giảm tính năng về ñiện của vật thử ñược tìm
ra từ phương pháp thực nghiệm, cùng yếu tố suy giảm phụ thuộc môi trường. Các kỹ sư
quá trình và thiết kế dùng ñược thông tin này ñể cải thiện quá trình nhờ biết ñược cơ chế
hỏng hóc, tạo ñộ tin cậy cao hơn. Các bước lý tưởng trong quá trình nghiên cứu ñộ tin
cậy của quá trình bán dẫn là:
1. Nhận dạng và ñịnh tính cơ chế chủ yếu tác ñộng lên linh kiện với một số quá
trình.
2. Thiết lập yếu tố phụ thuộc chức năng của ñộ tin cậy trong ñiều kiện ứng dụng
của linh kiện.
3. Xác ñịnh mô hình ñộ tin cậy mẫu của quá trình bán dẫn.

nghiên cứu ñộ tin cậy vào sản xuất sản phẩm hay họ các sản phẩm tương tự. Khó khăn
nhất khi dùng MMIC là hỏng hóc về ñiện, thống kê, và vật lý rất phức tạp, do phương
tiện thử nghiệm có mức phức tạp cao hơn trường hợp linh kiện rời (xem hình 1).
Có thể dùng linh kiện rời trong thiết kế ICs trong quá trình nghiên cứu ñộ tin cậy của
quá trình bán dẫn. Nghiên cứu về phương pháp này ñã ñược công bố trong nhiều công
trình (xem phần tham khảo 1). Dùng linh kiện này làm phương tiện thử nghiệm, thì dễ
dàng nhận ra cơ chế hỏng hóc do từng phần tử linh kiện rời ñều ñược xem xét và biết
ñược ñặc tính về ñiện. Khi chuẫn hóa ñược theo ñộ tin cậy, thì mô hình hóa và truy cập
ñặc tính ñiện của sản phẩm mới dùng linh kiện này trong giai ñoạn thiết kế. Thí dụ việc
dùng transistor (MESFET), linh kiện tụ ñiện và ñiện trở, là linh kiện ñược thử nghiệm
và nghiên cứu ñặc tính ñiện trong nghiên cứu ñộ tin cậy (xem hình.2).
Ba yếu ñiểm lớn nhất khi dùng linh kiện rời làm phương tiện thử nghiệm khi nghiên
cứu ñộ tin cậy quá trình bán dẫn là tính gá lắp, tính sẳn sàng, và tính tương quan. Các
ñiều này là thách thức khi thiết kế gá lắp tồn tại trong môi trường thử nghiệm ñộ tin cậy
ở nhiệt ñộ cao tạo ra yếu tố phân cực cho phương tiện thử nghiệm. Thách thức này càng
lớn khi ở tần số cao, ñộ lợi lớn và khi dùng linh kiện GaAs FET có ñộ rộng cổng G nhỏ
hơn micromét. Các linh kiện này cực kỳ nhạy cảm với dao ñộng phân cực. Tính sẳn sàng
của linh kiện cũng là vấn ñề khi cần có số lượng ñủ lớn ñể thực hiện thử nghiệm thống
kê về tuổi thọ dùng linh kiện rời, như trường hợp linh kiện chưa ñược sản xuất ở mức ñộ
sản phẩm. Khả năng mô hình hóa ñộ tin cậy của mạch ñiện cũng là vấn ñề. ðiều quan
trọng là mô hình ñộ tin cậy lại tương quan chặc chẽ với yếu tố không nhìn thấy ñược khi
thử nghiệm vể tuổi thọ trên một sản phẩm thực.
Các cấu trúc thử nghiệm cụ thể cũng có ưu ñiểm và nhược ñiểm của ứng dụng dùng
kinh kiện rời. Các phân tích tỏng hóc sẽ dễ dàng hơn khi thiết kế cho quá trình ñặc thù,
thí dụ như:
• Linh kiện mô hình ñường dây dài TLM (Transmission Line Model) (ñiện trở hình
thang), ñược dùng cho ñặc tính ñiện trở tiếp xúc (contact) và màng (sheet).
• Van der Pauw crosses, ñược
dùng cho ñặc tính ñiện trở màng và
kích thước tới hạn của cấu trúc.

dùng mẫu thử có kích thước bé hơn sản phẩm.
Khi mới nghiên cứu về ñộ tin cậy của một quá
trình, thì dùng kích thước mẫu trong thực
nghiệm step-stress ñể có ngay ño lường xấp xỉ,
nhanh, về ñộ nhạy của nhiều dạng khác nhau của thử nghiệm có tính gia tốc tăng cường.
Nhiệt ñộ luôn là yếu tố ñược tăng cường nhiều nhất, do có ảnh hưởng chủ yếu lên trên cơ
chế hỏng hóc võ ngoài của GaAs. Một thử nghiệm step-stress tiêu biểu bao gồm linh
kiện ñặt trong chu kỳ nhiệt ñộ 24 giờ, bắt ñầu từ 125°C và tăng dần mỗi ngày 25°C cho
ñến khi ít nhất 50% số lượng bị hỏng (thường là khoảng hơn 6 bước). Các phương tiện
thử ñều ñược ghi nhận ñặc tính về ñiện trước và sau mỗi bước. Các ñơn vị thử ñược hay
không ñược phân cực trong các giai ñoạn stress. Từ kết quả thử nghiệm step-stress này,
có quyết ñịnh ñịnh tính theo ñộ gia tốc trong các thử nghiệm về tuổi thọ. Dùng kết quả
step-stress hay/và các kinh nghiệm trước ñó vào trong quá trình ñang thử nghiệm, thiết kế
ñược nghiên cứu về ñộ tin cậy dùng yếu tố gia tốc cố ñịnh. Kích thước mẫu trong thử
nghiệm này thay ñổi từ 10 ñến 40 linh kiện cho mỗi ñiều kiện gia tốc, với ít nhất là hai,
tốt nhất là ba, tổ hợp các yếu tố phân cực nhiệt ñộ ñược áp dụng. Thường dùng các kênh
nhiệt ñộ từ 125°C ñến 300°C. ðối với các ứng dụng tín hiệu nhỏ (tuyến tính), thì linh
kiện thường ñược phân cực dùng dòng ñiện một chiều (DC). ðối với ứng dụng mà linh
kiện phải vận hành trong ñiều kiện có yếu tố nén ñộ lợi (phi tuyến), thì nên thử nghiệm
về tuổi thọ với ñiều kiện phân cực RF, do lúc này yếu tố phân cực xấp xỉ DC không hiệu
quả nữa. Kích thước mẫu trong phân cực RF, khi so sánh với thử nghiệm tuổi thọ dùng
phân cực DC, thuờng nhỏ hơn, ñơn giản hơn do chi phí cho mỗi mẫu dùng cho gá lắp và
cho thử nghiệm tuổi thọ thường lớn hơn nhiều. Khi nhiệt ñộ ñược dùng nhiều trong yếu
tố gia tốc cao, yếu tố khác cũng quan trọng ñể hiểu rõ ñược ñặc tính về ñộ tin cậy của
quá trình. Mật ñộ dòng ñiện và ñiện áp là yếu tố gia tốc liên quan ñến vấn ñề phân cực
có ý nghĩa với linh kiện GaAs; tuy nhiên, phương tiên thử nghiệm thường không bị tăng
cường trong tầm về mật ñộ dòng ñiện hay ñiện áp. Các linh kiện thường ñược phân cực
tại ñiện áp và dòng ñiện danh ñịnh ñồng thời chịu mức nhiệt ñộ cao. Xu hướng này có giá
trị cho mọi sản phẩm ñược sản xuất trong cùng một quá trình với cùng ñiều kiện về phân
cực, ñã ñơn giản rất nhiều cho nghiên cứu.

Thử nghiệm tuổi thọ không hẳn quan sát dễ dàng mọi tham số của linh kiện, ñặc biệt
trong ñiều kiện RF và tham số vi ba. Do ñó, cần lần lượt dừng theo chu kỳ việc áp dụng
yếu tố stress và ñặc tính ñiện tại nhiệt ñộ phòng. ðo lường tại nhiệt ñộ phòng cũng cung
cấp phương tiện kiểm tra tốc ñộ giảm cấp tại nhiệt ñộ cao, có tương quan với ñộ giảm cấp
tính năng tại nhiệt ñộ công tác. Thí dụ của dạng ño lường này vẽ ở hình 6, cho thấy thay
ñổi ñộ lợi tại 9 GHz của bộ khuếch ñại nhiễu thấp băng X (LNAs) là hàm theo thời gian
khi phân cực DC tăng cường của kênh FET tại nhiệt ñộ 200°C. Tương tự như dữ liệu
quan sát ñược, ño lường tại nhiệt ñộ phòng này còn ñược dùng ñể xác ñịnh thời gian hỏng
hóc của linh kiện trong thử nghiệm về tuổi thọ.

Phân tích ño lường này, kết hợp hiểu biết về thay ñổi vật lý của linh kiện ảnh hưởng
lên tính năng ñiện, là yếu tố quan trọng ñể tìm cơ chế hỏng hóa vật lý quan sát ñược. Khi
hỏng hóc bắt ñầu xuất hiện, thì bắt ñầu cấp phân tích dữ liệu thứ hai. Mục tiêu phân tích
là tóm tắt thống kê kết quả của thử nghiệm tuổi thọ. Cần xác ñịnh hàm toán học mô tả
chính xác phân bố của hỏng hóc linh kiện theo thời gian, cho từng thử nghiệm tuổi thọ.
Phân bố dùng trong nghiên cứu ñộ tin cậy vi ñiện tử thường ñược vẽ theo semi-log (xem
hình 7) và phân bố Weibull. Hai ñồ thị vẽ ở hình 7 bao gồm hỏng hóc theo thời gian của
bộ khuếch ñại nhiễu thấp LNA tại băng X, phân cực DC tại các nhiệt ñộ 200°C và 250°C.
ðồ thị này cũng biểu diễn thời gian median của hỏng hóc, giá trị ñộ lệch sigma theo
chuẩn logarithm, và các hệ số khớp cho mỗi tập dữ liêu hỏng hóc. Khi xác ñịnh ñược
phân bố mô tả ñặc tính ñộ tin cậy của quá trình dưới nhiều tập ñiều kiện môi trường khác
nhau, bắt ñầu mức ñộ phân tích dữ liệu sau cùng. ðiều này gồm: mô hình hóa sự phụ
thuộc chức năng về ñộ tin cậy của linh kiện (tức là tuổi thọ) trên mức ñộ stress mà linh
kiện chịu ñựng trong thử nghiệm tuổi thọ. Trong thử nghiệm tuổi thọ với nhiệt ñộ gia tốc
nhằm tạo yếu tố giảm phẩm chất và hỏng hóc, thường dùng mô hình Arrhenius.
Theo ñó mô hình Arrhenius ñược viêt theo:
MTTF= Aexp(Ea/kT) (1)
trong ñó
MTTF : thời gian trung bình hỏng hóc tại một số nhiệt ñộ T( ñộ Kelvin),
Ea : năng lượng kích hoạt, và

. Cơ chế này do khuếch tán của vàng vào cổng của FET, dù ñi qua hay ở tồn tại xung
quanh lớp rào cản (barrier) kim loại (thường là Pt, Pd, hay TiW), và ñi vào kênh tích cực
của linh kiện. Kết quả là kênh FET bị giảm ñộ dày hiệu dụng, tức là giảm chất lượng các
tham số như công suất ra, và/hay ñộ lợi. Hơn nữa, do cơ chế này làm giảm chất lượng của
ñiôñ Schottky dùng FET, nó còn ảnh hưởng ñược lên tính chất nhiễu của linh kiện. Theo
Canali et al.(xem Reference 2) ñã báo cáo ñầu tiên về minh chứng vật lý của cơ chế gate
sinking. Nhóm này cấy GaAs từ mặt sau khuôn có stress nhiệt ñộ và quan sát ñộ gồ ghề
tại mặt “sau” của gate finger. Gần ñây, Roesch et al. ñưa ra bằng chứng về gate sinking
qua ứng dụng hội tụ chùm ion qua mặt cắt của cổng gate fingers (xem Reference 3). Tốc
ñộ suy giảm do cơ chế này ñược gia tốc khi tăng nhiệt ñộ, làm kích hoạt năng lượng từ
khoảng 1 và 2.5 eV. Tuy có một số bằng chứng miệng rằng cơ chế này chịu ảnh hưởng
do ñiều kiện phân cực linh kiện, nhưng vẫn chưa có báo cáo chính thức nào về vấn ñề
này.
Ảnh hưởng của electrôn nóng (Hot Electron Effects)
Các nghiên cứu gần ñây do nhóm Hwang (xem Reference 4) cho thấy electron nóng
có ảnh hưởng lên yếu tố suy giảm chất lượng và hỏng hóc của MESFET GaAs, ñặc biệt
với những linh kiện vận hành trong ñiều kiện phi tuyến cao. Nhóm cho rằng khi gradien
của trường thế năng trong kênh MESFET tăng lên, năng lượng ñủ truyền cho electrons và
cho phép một số phần trăm của chúng lọt vào các bẩy trong lớp Si
3
N
4
là lớp oxid hóa
(passivation) giữa cổng và drain fingers (vùng có gradien trường thế năng cao nhất). Các
electrons bị bẩy này tạo ra một vùng khiếm giữa cổng FET và drain fingers mà không bị
ñiều chế bởi yếu tố phân cực cổng. Kết quả là tạo ra một eo thắt thường trực tại kênh
FET, làm giảm dòng I
DSS
và công suất ra. Cơ chế này rất có ý nghĩa trong ứng dụng
khuếch ñại công suất có bảo hòa, khi FET phải ñược phân cực sâu vào vùng bảo hòa (the

cung cấp quan sát thực tế của ñộ tin cậy quá trình của mỗi wafer ñược sản xuất. Nhiều ưu
ñiểm có ñược thực hiện từ thử nghiệm này. Các thử nghiệm này ñược thiết kế ñể chạy rất
nhanh, thường là vài giây cho mỗi mẫu thử. Dùng tao cở sở thông tin về ñộ tin cậy của
mỗi lô sản phẩm trước khi ñến tay khách hàng. Thử nghiệm này cần rất ít thời gian, nên
cho phép thu thập dữ liệu từ hàng trăm mẫu. Từ ñó, tìm ñược các ño lường có ý nghĩa
thống kê của ñộ biến thiên về ñộ tin cậy. Bản chất nhanh của thử nghiệm này tạo ñiều
kiện cho việc phân tích nhanh yếu tố xung ñột của sự thay ñổi của quá trình lên ñộ tin
cậy của linh kiện, cho phép tạo ra nhanh sản phẩm và quá trình mới ñưa ra thị trường.
Các thử nghiệm ñộ tin cậy ở cấp ñộ wafer hiện ñược phát triển trong công nghiệp linh
kiện silicon ñể tìm ra cơ chế hỏng hóc chủ yếu trong công nghệ. Thử nghiệm ñã ñược
báo cáo về chuyển dịch ñiện tử (electromigration), time-dependent dielectric breakdown,
và ảnh huởng của hạt tải nóng (gia tốc cao) trong công nghệ MOS. ðiều không may là
ñây lại không phải là cơ chế hỏng hóc chủ yếu về GaAs; do ñó, kỹ thuật này ñược dùng
hạn chế trong công nghệ linh kiện GaAs MESFET, gate sinking, chưa sẳn sàng ñể lấy ñặc
tính ở cấp ñộ wafer. Cho ñến khi có ñược bước ñột phá trong kỹ thuật, thì việc nghiên
cứu về cơ chế hỏng hóc của GaAs MESFET sẽ tiếp tục ñi theo phương thức truyền thống,
tiêu tốn nhiều thời gian.
4. Tóm tắt
Chương này ñã trình bày xu hướng ñộ tin cậy trong xử lý bán dẫn thông qua thử
nghiệm, chú ý ñến công nghệ GaAs. Chương ñã thảo luận về nhiều nguyên nhân ñưa ñến
thực hiện thử nghiệm này, bao gồm tìm ra cơ chế hỏng hóc chủ yếu tác ñộng lên quá
trình và thiết lập yếu tố phụ thuộc vào ñiều kiện ứng dụng của linh kiện. Thông tin này
ñược dùng thiết lập mô hình ranh giới của ñộ tin cậy của bán dẫn, trong ñó có thể ñánh
giá ñộ tin cậy của tác ñộng do sự thay ñổi của quá trình. Cuối cùng, mục tiêu sau cùng
của thử nghiệm là bảo ñảm rằng quá trình có khả năng cho sản phẩm có ñộ tin cậy cao
nhất. Tuy nhiên, chỉ có thể qua ứng dụng tổng hợp của nhiều kỹ thuật ñộ tin cậy thì mới
thực hiện ñược sản phẩm ñủ tin cậy.
Thư mục:
1. Dumas et al., “Comparative Reliability Study of GaAs Power MESFETs:
Mechanisms for Surface-Induced Degradation and a Reliable Solution,”