介紹

器件復(fù)雜度、材料及幾何尺寸的不斷演進(jìn)，使單個(gè)器件的壽命與可靠性面臨前所未有的挑戰(zhàn)。曾經(jīng)可持續(xù) 100 年的工藝，如今可能僅剩 10 年壽命，這與產(chǎn)品的實(shí)際使用周期幾乎相當(dāng)。更小的誤差容限意味著，可靠性必須從器件設(shè)計(jì)伊始就被嚴(yán)密監(jiān)控——從研發(fā)、工藝集成到生產(chǎn)，每個(gè)環(huán)節(jié)都需持續(xù)驗(yàn)證。

為了更高效地評(píng)估器件壽命，許多 IC 廠商已從封裝器件級(jí)測(cè)試轉(zhuǎn)向晶圓級(jí)可靠性（WLR）測(cè)試。該方法能在晶圓階段直接評(píng)估器件性能，避免封裝故障帶來(lái)的時(shí)間、材料和資金損失。相較傳統(tǒng)方式，WLR 測(cè)試大幅縮短了測(cè)試周期——晶圓可直接從生產(chǎn)線抽檢，無(wú)需等待長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的封裝流程。同時(shí)，WLR 與傳統(tǒng)器件級(jí)測(cè)試在方法上具有高度一致性，遷移實(shí)施更為便捷。

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(wú)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(lèi)數(shù)據(jù)用于評(píng)估器件設(shè)計(jì)和監(jiān)控制造過(guò)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(lái)加速測(cè)試，最有效的方法是對(duì)設(shè)備進(jìn)行過(guò)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)[1]或溝道熱載流子 (CHC)、負(fù)偏置溫度不穩(wěn)定性(NBT)[2]、電遷移率[3]、時(shí)間相關(guān)介電擊穿 (TDDB)[4]和電荷擊穿 (QBD)[5]測(cè)試。這些測(cè)試已成為主流 CMOS器件開(kāi)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(wèn)題，但工程師現(xiàn)在必須關(guān)注PMOS的NBTI[6]，高k柵極晶體管的電荷捕獲[7]，以及NBTI、TDDB和HCI之間的交叉效應(yīng)，例如NBTI增強(qiáng)熱載流子[8]，TDDB增強(qiáng)NBTI[6]。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(lái)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(kāi)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(wèn)題都去購(gòu)買(mǎi)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(pán)。

控制儀器、探頭、托盤(pán)，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、完全集成的半導(dǎo)體參數(shù)分析儀，具備晶圓級(jí)可靠性測(cè)試能力，支持半導(dǎo)體器件的 DC I-V、脈沖 I-V 和 C-V 表征。系統(tǒng)最多可配置 9 個(gè)模塊插槽，用于安裝源測(cè)量單元（SMU）、電容電壓?jiǎn)卧–VU）及脈沖測(cè)量單元（PMU），并可通過(guò) GPIB、以太網(wǎng)或 RS-232 控制外部?jī)x器（如探針臺(tái)、LCR 表或開(kāi)關(guān)矩陣）。配套軟件集成測(cè)試序列管理、數(shù)據(jù)表格與繪圖功能，既適用于交互式研發(fā)操作，也支持自動(dòng)化量產(chǎn)測(cè)試。

4225-PMU 是 4200A-SCS 的高速脈沖 I-V 模塊，擁有雙通道脈沖產(chǎn)生與實(shí)時(shí)測(cè)量功能，可在微秒級(jí)精度下表征 NBTI、PBTI 等退化行為，為設(shè)計(jì)內(nèi)可靠性（DIR）建模提供支持。

可選配的 4225-RPM 遠(yuǎn)程放大器/開(kāi)關(guān)可放置于 DUT 附近，減少寄生效應(yīng)、優(yōu)化脈沖波形，并實(shí)現(xiàn) SMU、CVU 與脈沖源間的自動(dòng)切換，無(wú)需重新布線。

典型配置包括：主機(jī) 4200A-SCS、4 個(gè) SMU、2 個(gè) 4225-PMU 與 4 個(gè) 4225-RPM，可實(shí)現(xiàn)多通道脈沖與 DC 測(cè)試。針對(duì)前沿硅基器件的超快速 BTI 測(cè)試，可選配 4200-BTI-A 工具包（含 4225-PMU、4225-RPM 及 ACS 軟件），支持動(dòng)態(tài)測(cè)試與晶圓映射，最大限度減少恢復(fù)效應(yīng)影響。

使用Clarius軟件進(jìn)行WLR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[10]。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(wèn)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） 。

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)[11]（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。

圖3. 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示的HCI測(cè)試

圖4. HCI/NBTI /EM測(cè)試的流程

負(fù)溫偏不穩(wěn)定性 (NBTI)

NBTI是PMOS晶體管中存在問(wèn)題的一種失效模式，隨著閾值電壓持續(xù)下降，新材料被引入柵極以保持設(shè)備級(jí)性能，但卻讓NBTI變得更糟。NBTI的退化是通過(guò)閾值電壓的時(shí)間變化來(lái)測(cè)量的，并與在高溫下的負(fù)偏置應(yīng)力下較慢的運(yùn)行、更多的漏電和更低的驅(qū)動(dòng)電流有關(guān)。

NBTI測(cè)試通常是一個(gè)應(yīng)力測(cè)量序列循環(huán)。在應(yīng)力期間，柵極施加負(fù)偏置電壓，晶體管的其余端子接地。在兩個(gè)連續(xù)應(yīng)力之間，在正常工作條件[12]下測(cè)量漏極電流。漏極電流或閾值電壓的退化被繪制為應(yīng)力——時(shí)間的函數(shù)。所有的應(yīng)力電壓和后續(xù)的測(cè)量都是在高溫下進(jìn)行的（例如，135°C）。NBTI的工藝流程與HCI類(lèi)似，如表4所示。

由于BTI中的恢復(fù)效果，使用4200A-SCS的SMU的可用應(yīng)力測(cè)量特性可能無(wú)法對(duì)設(shè)備退化提供足夠的分析。4200A-SCS中的選件 (4200-BTI-A) 提供了超快速激勵(lì)和測(cè)量，以表征BTI在現(xiàn)代半導(dǎo)體器件上的退化和恢復(fù)效果。

超快BTI工具包

偏置溫度不穩(wěn)定性（BTI）測(cè)試需要兼具高靈敏度與高速采樣，以實(shí)現(xiàn)精確表征。4200-BTI-A 工具包為此提供了最佳平衡：其核心 4225-PMU 模塊可在去應(yīng)力后 30 ns 內(nèi)啟動(dòng)測(cè)量，并在 1 μs 內(nèi)完成晶體管 VT 的 ID-VG 掃描。配套的 4225-RPM 遠(yuǎn)程放大器/開(kāi)關(guān)模塊可在直流 I-V 與超快速 I-V 測(cè)量間自動(dòng)切換，無(wú)需重新布線，同時(shí)抑制寄生效應(yīng)并提升低電流靈敏度。
系統(tǒng)配備的超快速 BTI 測(cè)試軟件與自動(dòng)化表征套件（ACS）可靈活定義應(yīng)力條件與測(cè)試時(shí)序，支持單點(diǎn) ID、OTF 與 ID-VG 掃描等多種測(cè)試模式，并可監(jiān)測(cè)退化與恢復(fù)行為，結(jié)合 4200A-SCS 的高精度 SMU 測(cè)量，實(shí)現(xiàn)從納秒級(jí)響應(yīng)到穩(wěn)定精度的全流程可靠性分析。

電遷移

電遷移是由電流引起的材料移動(dòng)現(xiàn)象，是金屬化過(guò)程中主要的可靠性問(wèn)題。 等溫電遷移試驗(yàn)是對(duì)微電子金屬化進(jìn)行的加速電遷移試驗(yàn)。 在等溫測(cè)試中，需要保持被測(cè)線的恒定平均溫度。

這個(gè)過(guò)程通過(guò)改變應(yīng)力電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)改變傳遞給線路的焦耳熱量（基于JESD61A-01標(biāo)準(zhǔn)[13]）em-const-i范例項(xiàng)目如圖9所示。子循環(huán) (em) 配置為使用單個(gè)設(shè)備 ( 金屬線 ) 上的電流應(yīng)力進(jìn)行。

該項(xiàng)目包括控制托盤(pán)溫度，在托盤(pán)達(dá)到指定溫度之前，子循環(huán)不會(huì)運(yùn)行。在第一次預(yù)應(yīng)力后對(duì)器件進(jìn)行特性測(cè)試，再次執(zhí)行測(cè)試之前，在對(duì)器件進(jìn)行指定時(shí)間的電流應(yīng)力。循環(huán)完成后，最后一步冷卻托盤(pán)。

圖9. em-const-i項(xiàng)目中包含的電遷移測(cè)試

擊穿電荷 (QBD)

QBD項(xiàng)目包括ramp-v測(cè)試和ramp-i測(cè)試。這些測(cè)試遵循薄電介質(zhì)晶圓級(jí)測(cè)試的JESD35-A標(biāo)準(zhǔn)程序[14]。本項(xiàng)目（圖11）不使用子循環(huán)。

■ramp-v：電壓斜坡試驗(yàn)。該測(cè)試用電容器或柵極氧化物上傾斜電壓應(yīng)力來(lái)表征低電場(chǎng)下電介質(zhì)的缺陷。

■ramp-j：電流密度斜坡測(cè)試。該測(cè)試用電容器或柵極氧化物上的傾斜電流應(yīng)力來(lái)表征高電場(chǎng)下電介質(zhì)的缺陷。

該測(cè)試還能夠?qū)崿F(xiàn)有界的“I-Ramp”測(cè)試，前提是將電流設(shè)置為斜坡上升到指定水平，然后保持直到擊穿。有界的“I-Ramp”測(cè)試提供了可重復(fù)的電荷擊穿(QBD) 測(cè)量。

圖11. QBD項(xiàng)目中包含的QBD測(cè)試

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(guò)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(lái)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。