【導(dǎo)讀】每個(gè)芯片上更多器件和更快時(shí)鐘速度的不斷發(fā)展，推動(dòng)了幾何形狀縮小、新材料和新技術(shù)的發(fā)展。由于更脆弱、功率密度更高、器件更復(fù)雜和新的失效機(jī)制，所有這些因素都對(duì)單個(gè)器件的壽命和可靠性產(chǎn)生了巨大的影響，曾經(jīng)壽命為100年的器件的生產(chǎn)工藝現(xiàn)在可能只有10年的壽命，這與使用這些器件的預(yù)期工作壽命非常接近。較小的誤差范圍意味著，必須從一開始就考慮器件的壽命和可靠性，從設(shè)備開發(fā)到工藝集成再到生產(chǎn)不斷進(jìn)行監(jiān)控，即使是很小的壽命變化，對(duì)今天的設(shè)備來說也可能是災(zāi)難性的。
每個(gè)芯片上更多器件和更快時(shí)鐘速度的不斷發(fā)展，推動(dòng)了幾何形狀縮小、新材料和新技術(shù)的發(fā)展。由于更脆弱、功率密度更高、器件更復(fù)雜和新的失效機(jī)制，所有這些因素都對(duì)單個(gè)器件的壽命和可靠性產(chǎn)生了巨大的影響，曾經(jīng)壽命為100年的器件的生產(chǎn)工藝現(xiàn)在可能只有10年的壽命，這與使用這些器件的預(yù)期工作壽命非常接近。較小的誤差范圍意味著，必須從一開始就考慮器件的壽命和可靠性，從設(shè)備開發(fā)到工藝集成再到生產(chǎn)不斷進(jìn)行監(jiān)控，即使是很小的壽命變化，對(duì)今天的設(shè)備來說也可能是災(zāi)難性的。
雖然可靠性測(cè)試在封裝器件級(jí)進(jìn)行，但許多IC制造商正在轉(zhuǎn)移到晶圓級(jí)測(cè)試，包括需要在上游制造過程中進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試。晶圓級(jí)可靠性 (WLR) 測(cè)試還消除了由于封裝器件故障而造成的大部分時(shí)間、生產(chǎn)能力、資金和材料損失。因?yàn)榫A可以直接從生產(chǎn)線上拉下來進(jìn)行測(cè)試，而無需等待器件封裝，這一過程可能長(zhǎng)達(dá)兩周，所以周轉(zhuǎn)時(shí)間明顯縮短。在器件和WLR測(cè)試中，大部分測(cè)試是相同的，所以相對(duì)容易能夠遷移到晶圓級(jí)測(cè)試。
WLR測(cè)試的應(yīng)力測(cè)量技術(shù)
應(yīng)力測(cè)量測(cè)試是一種通常用于評(píng)估半導(dǎo)體器件工作壽命和失效機(jī)制的技術(shù)。該測(cè)試側(cè)重于典型故障率浴盆曲線右側(cè)的故障（圖1），即與制造故障無關(guān)的故障。
圖 1. 典型的半導(dǎo)體可靠性曲線
應(yīng)力測(cè)量測(cè)試可以快速生成外推曲線，以預(yù)測(cè)器件的使用壽命，此類數(shù)據(jù)用于評(píng)估器件設(shè)計(jì)和監(jiān)控制造過程。由于典型的設(shè)備壽命是以年為單位測(cè)量的，因此需要技術(shù)來加速測(cè)試，最有效的方法是對(duì)設(shè)備進(jìn)行過度應(yīng)力測(cè)試，測(cè)量運(yùn)行的關(guān)鍵退化趨勢(shì)，并將數(shù)據(jù)外推到整個(gè)使用壽命。
以圖2為例，曲線的右下方部分 ( 收集的數(shù)據(jù) ) 是在高應(yīng)力條件下生成的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)生成一條線，可用于預(yù)測(cè)正常工作條件下的設(shè)備壽命 ( 曲線左上部分 )。
圖2. HCI測(cè)試的壽命可靠性外推
經(jīng)常使用應(yīng)力測(cè)量技術(shù)的WLR測(cè)試包括熱載流子注入 （HCI）或溝道熱載流子（CHC）、負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性（NBT）、電遷移率 、時(shí)間相關(guān)介電擊穿（TDDB）和電荷擊穿（QBD）測(cè)試。這些測(cè)試已成為主流CMOS器件開發(fā)和工藝控制的關(guān)鍵。
WLR測(cè)試儀器趨勢(shì)與要求
現(xiàn)在新器件和材料需要修改這些已建立的測(cè)試，并要求儀器功能可以實(shí)現(xiàn)這些新技術(shù)。
可靠性測(cè)試已經(jīng)發(fā)展到適應(yīng)新設(shè)備和材料的需要。雖然HCI仍然是一個(gè)重要的可靠性問題，但工程師現(xiàn)在必須關(guān)注PMOS的NBTI ，高k柵極晶體管的電荷捕獲，以及NBTI、TDDB和HCI之間的交叉效應(yīng)，例如NBTI增強(qiáng)熱載流子，TDDB增強(qiáng)NBTI。為了應(yīng)對(duì)這些新現(xiàn)象，測(cè)量方法已經(jīng)從直流應(yīng)力和測(cè)量發(fā)展到現(xiàn)在同時(shí)使用直流和脈沖應(yīng)力來研究退化效果。此外，儀器儀表現(xiàn)在包括更全面的器件表征套件，其中包括直流I-V、 交流C-V、電荷泵和電荷捕獲。
總結(jié)了一些 WLR 測(cè)試趨勢(shì)。
表1. 最近的晶圓級(jí)可靠性測(cè)試趨勢(shì)
這些不斷變化的測(cè)試要求工程師找到高效合適的設(shè)備和適合工藝開發(fā)的儀器。所選擇的工具應(yīng)該采集應(yīng)力引起的參數(shù)退化的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，并且能靈活適應(yīng)非傳統(tǒng)的WLR測(cè)試，例如應(yīng)力C-V、NBTI等等。
這個(gè)工具還應(yīng)該是可擴(kuò)展的，這樣就不需要每次出現(xiàn)新的測(cè)試問題都去購(gòu)買一個(gè)全新的系統(tǒng)。這個(gè)工具應(yīng)該易于理解，這樣工程師就可以把寶貴的時(shí)間集中在分析數(shù)據(jù)上，而不是學(xué)習(xí)使用測(cè)試系統(tǒng)。
在功能方面，一個(gè)現(xiàn)代化的可靠性測(cè)試臺(tái)必須提供以下幾點(diǎn)：
在不影響準(zhǔn)確性和外推壽命的情況下，硬件和軟件能加速測(cè)試。
控制半自動(dòng)或自動(dòng)探針臺(tái)和溫控托盤。
控制儀器、探頭、托盤，創(chuàng)建測(cè)試、執(zhí)行測(cè)試、管理數(shù)據(jù)。
可更改應(yīng)力序列，以應(yīng)對(duì)新材料測(cè)試和失效機(jī)制。
分析軟件，提供易于提取的測(cè)試參數(shù)和繪圖工具。
4200A-SCS和4225-PMU超快脈沖I-V的功能
4200A-SCS是一款模塊化、完全集成的參數(shù)分析儀，具有晶圓級(jí)可靠性測(cè)試功能。該系統(tǒng)允許對(duì)半導(dǎo)體器件和測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行直流I-V，脈沖I-V和C-V表征，先進(jìn)的數(shù)字掃描參數(shù)分析儀結(jié)合了亞微米的測(cè)試速度和精度。4200A-SCS可以提供多達(dá)9個(gè)插槽，用于支持源測(cè)量單元 (SMU)，電容電壓?jiǎn)卧?(CVU) 和脈沖測(cè)量單元 (PMU)， 可以通過GPIB、以太網(wǎng)或RS-232連接來控制其他外部?jī)x器，如開關(guān)矩陣、LCR儀表和探針臺(tái)。該軟件包括一個(gè)測(cè)試序列管理器、交互式測(cè)試設(shè)置界面、類似excel的數(shù)據(jù)表格、繪圖功能。在交互式手動(dòng)模式（用于開發(fā)期間的單個(gè)測(cè)試操作）或更自動(dòng)化的生產(chǎn)用例中，它使用起來更靈活。
4225-PMU超快脈沖I-V模塊是4200A-SCS的單槽儀表卡。它有兩個(gè)通道，每個(gè)通道都有脈沖產(chǎn)生和脈沖測(cè)量的功能，并且會(huì)實(shí)時(shí)測(cè)量電流和電壓。該模塊是超高速I-V的核心硬件。
測(cè)量能力對(duì)于表征NBTI和PBTI在μs內(nèi)的退化至關(guān)重要，要為DIR（Designed-In Reliability）進(jìn)行更精確的壽命測(cè)量，支持器件和電路設(shè)計(jì)建模。它集成了具有高速電壓和電流測(cè)量能力的雙通道波形發(fā)生器，更大的測(cè)量buffer以及一個(gè)實(shí)時(shí)測(cè)試執(zhí)行引擎。
RPM遠(yuǎn)程放大器/開關(guān)是4225-PMU的可選配件。它很小，可以放在被測(cè)器件 (DUT) 附近，有很多表征時(shí)間分辨可靠性測(cè)試所必需的低電流測(cè)量范圍。通過將RPM放在靠近DUT的脈沖源，4225-RPM有助于最大限度地減少電纜長(zhǎng)度和電纜寄生效應(yīng)，以提供更好的脈沖形狀和更高的速度測(cè)量。
此外，4225-RPM可以在4200A-SCS的源測(cè)量單元(SMU) 和多頻電容電壓?jiǎn)卧?(CVU) 信號(hào)之間切換，允許高分辨率直流DC測(cè)量和CV測(cè)量，而無需重新布線脈沖源和測(cè)量測(cè)試。
如果既需要脈沖源又需要脈沖測(cè)試可以用4225-PMU；如果需要脈沖源但不需要脈沖測(cè)量，可以用4220-PGU脈沖卡。具有脈沖源測(cè)量能力的一個(gè)典型配置：4200A-SCS、4個(gè)SMU、2個(gè)4225-PMU和4個(gè)4225-RPM組成，此系統(tǒng)就具備了四個(gè)SMU和四個(gè)脈沖I-V通道 ( 脈沖源和測(cè)量 )，RPM允許在脈沖和SMU測(cè)試資源之間切換。該四通道系統(tǒng)為一個(gè)四端子測(cè)試裝置或在兩個(gè)測(cè)試裝置上測(cè)量?jī)蓚€(gè)端子 ( 例如，柵極和漏極 ) 提供直流或脈沖源和測(cè)量。
對(duì)于前沿硅基器件的超快速BTI（偏置溫度不穩(wěn)定性）測(cè)試，可用4200-BTI-A工具包，由一個(gè)4225-PMU、兩個(gè)4225-rpm，以及自動(dòng)表征套件(ACS)軟件組成。
除了晶圓mapping功能外，ACS還包括動(dòng)態(tài)測(cè)試和其他測(cè)試范例，以最大限度地減少非應(yīng)力時(shí)間，以降低BTI表征行為的硅器件固有的恢復(fù)效應(yīng)。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱標(biāo)題為“超快速BTI封裝”的技術(shù)文檔。
使用Clarius軟件進(jìn)行WLR測(cè)試
圖3. 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示的HCI測(cè)試
4200A-SCS系統(tǒng)提供的標(biāo)配軟件Clarius包括一組用于WLR測(cè)試的項(xiàng)目。這些項(xiàng)目包括一個(gè)具有可配置的測(cè)試級(jí)和項(xiàng)目級(jí)的應(yīng)力測(cè)量循環(huán)，以及一個(gè)用于在晶圓上每個(gè)site上進(jìn)行測(cè)試的循環(huán)項(xiàng)目。圖3顯示了HCI范例項(xiàng)目。該圖顯示了某一個(gè)特定的參數(shù)隨時(shí)間推移而被測(cè)試，每個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)應(yīng)力周期后不同的測(cè)量。左邊的窗口是測(cè)試序列，顯示了測(cè)試的順序和項(xiàng)目的整體結(jié)構(gòu)。在Clarius項(xiàng)目庫(kù)中有幾個(gè)用于WLR測(cè)試的項(xiàng)目，
包括 :
熱載流子注入（HCI）
負(fù)溫度偏置不穩(wěn)定性（NBTI）
電遷移了（EM）
電荷擊穿（QBD）
熱載流子注入（HCI）退化
在現(xiàn)代ULSI電路中，HCI退化是一個(gè)相當(dāng)重要的可靠性問題。電荷載流子在MOSFET通道上被大電場(chǎng)加速時(shí)獲得動(dòng)能。雖然大多數(shù)載流子到達(dá)了漏極，但熱載流子（具有非常高動(dòng)能）由于撞擊電離可以在漏極附近產(chǎn)生電子——空穴對(duì)，這是原子級(jí)別的碰撞。另一些則可以注入柵極通道界面，破壞Si-H鍵，增加界面陷阱密度。HCI的影響是器件參數(shù)的時(shí)間相關(guān)性退化，如閾值電壓 (VT)，線性和飽和區(qū)域的漏極電流(IDLIN 和 lDSAT) 和跨導(dǎo) (Gm) 。
圖4. HCI/NBTI/EM測(cè)試的流程 圖5. 在Clarius HCI-1-dut項(xiàng)目中的HCI測(cè)試
典型的HCI測(cè)試程序包括對(duì)DUT進(jìn)行預(yù)應(yīng)力表征，然后是應(yīng)力和測(cè)量循環(huán)（圖4）。在該循環(huán)中，器件在高于正常工作電壓的電壓下工作。在應(yīng)力之間監(jiān)測(cè)器件參數(shù)，并將這些參數(shù)的退化繪制為累計(jì)應(yīng)力對(duì)時(shí)間的曲線（圖2）。在進(jìn)行該應(yīng)力和測(cè)量循環(huán)之前，相同設(shè)備的測(cè)量參數(shù)作為基準(zhǔn)值。
熱載流子的監(jiān)測(cè)參數(shù)有：Vr、Gm、IDLIN、 IDSAT、IDLEAK。這些參數(shù)在應(yīng)力前進(jìn)行初步測(cè)量，并在每個(gè)累積時(shí)間的應(yīng)力后重新測(cè)量。IDLIN是器件工作在線性區(qū)域測(cè)量到的漏極電流；IDSAT是器件工作在飽和區(qū)時(shí)測(cè)量的漏極電流。Vr和Gm可以使用恒流或外推方法來確定。外推法中，VT由IDS -VGS曲線的最大斜率確定。
圖5顯示了Clarius中的項(xiàng)目hci-1-dut進(jìn)行的測(cè)試。4200A-SCS的公式編輯器工具大大簡(jiǎn)化了提取這些參數(shù)的過程。內(nèi)置的函數(shù)包括微分來獲取Gm，用一個(gè)MAX函數(shù)來獲得最大Gm (gnext)，以及一個(gè)最小二乘線擬合函數(shù)來提取Vr (Vtext)。計(jì)算這些參數(shù)的公式可以在4200A-SCS提供的HCI項(xiàng)目中找到，也可以在測(cè)試庫(kù)中找到相應(yīng)的測(cè)試。圖6顯示了Formulator的自動(dòng)數(shù)據(jù)分析能力。
圖6. 4200A-SCS中典型的VT和Gm測(cè)量結(jié)果
在單個(gè)晶體管上很容易執(zhí)行HCI測(cè)試，但是每次HCI測(cè)試通常需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成，因此希望有許多DUT并行受力，然后在應(yīng)力之間順序表征以節(jié)省時(shí)間。這個(gè)測(cè)試過程需要一個(gè)開關(guān)矩陣來處理并行應(yīng)力和應(yīng)力之間的順序測(cè)量。4200A-SCS提供應(yīng)力電壓并測(cè)量，而開關(guān)矩陣可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的并行應(yīng)力和順序測(cè)量。圖7顯示了用8個(gè)SMU（總共有8個(gè)不同的漏極和柵極應(yīng)力偏置）加上一個(gè)接地單元（用于接地端子）， 以并行地對(duì)20個(gè)晶體管施加應(yīng)力。表2列出了測(cè)試庫(kù)中可用的HCI測(cè)試模板。
圖7. HCI和NBTI測(cè)試中用8個(gè)SMU對(duì)20個(gè)器件并行施加應(yīng)力，單獨(dú)的地用來做公共端口
表2 . 在Clarius中的HCI測(cè)試庫(kù)
結(jié)論
不斷發(fā)展的設(shè)計(jì)尺度和新材料使得可靠性測(cè)試比以往任何時(shí)候都更加重要，這也推動(dòng)了對(duì)可靠性測(cè)試和建模的需求進(jìn)一步向上游發(fā)展，特別是在研發(fā)過程中。儀器制造商正在使用更快、更敏感、高度靈活的新型可靠性測(cè)試工具來應(yīng)對(duì)，以幫助降低測(cè)試成本并縮短上市時(shí)間。Keithley的4200A-SCS參數(shù)分析儀和工具包提供了快速測(cè)試所需的硬件和軟件以及完整的器件特性和可靠性測(cè)試。
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