硅片級可靠性測試詳解

　引言

　　硅片級可靠性（WLR）測試最早是為了實(shí)現內建（BIR）可靠性而提出的一種測試手段。硅片級可靠性測試的最本質(zhì)的特征就是它的快速，因此，近年來(lái)它被越來(lái)越多得用于工藝開(kāi)發(fā)階段。工藝工程師在調節了工藝后，可以馬上利用WLR測試的反饋結果，實(shí)時(shí)地了解工藝調節后對可靠性的影響。這樣就把可靠性測試糅合和工藝開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程當中。如今，工藝更新?lián)Q代非?？?，所以，WLR就成為了一種非常有效的快速方法使工藝開(kāi)發(fā)的進(jìn)程大大加快。同時(shí)，各個(gè)公司在工藝開(kāi)發(fā)后都會(huì )發(fā)行一個(gè)針對WLR的技術(shù)報告，這也為業(yè)界廣泛接受。JEDEC也為此專(zhuān)門(mén)制定了一個(gè)標準，而且不定時(shí)的更新其內容。

　　WLR要測試的項目主要有以下幾大類(lèi)：①互連線(xiàn)可靠性（電遷移）；②氧化膜可靠性；③熱載流子及NBTI；④等離子損傷（天線(xiàn)效應）等。用于工藝開(kāi)發(fā)的WLR流程主要如下。

　　首先，制定一個(gè)WLR計劃，包括對測試樣品的要求（樣品數、測試面積、Lot數等），一些設計規則和所有達到的規范。比如說(shuō)電遷移中，要給出最大設計電流，器件使用溫度等，評價(jià)氧化膜的可靠性時(shí)，如果是用斜坡電壓法則要求測試面積大于10cm2，缺陷密度不能大于一定的值（D0）；如果是用恒定電壓法，則要給出加在柵極上的電壓分別有多大等等。在評價(jià)熱載流子效應時(shí)，一般要求熱載流子中直流壽命大于0.2年等。下面詳細介紹一下各個(gè)項目。

　　互連線(xiàn)可靠性（電遷移）

　　電遷移（EM）是微電子器件中主要的失效機理之一，電遷移造成金屬化的開(kāi)路和短路，使器件漏電流增加。在器件向亞微米、深亞微米發(fā)展后，金屬化的寬度不斷減小，電流密度不斷增加，更易于因電遷移而失效。因此，隨著(zhù)工藝的進(jìn)步，EM的評價(jià)備受重視。

　　導致電遷移的直接原因是金屬原子的移動(dòng)。當互連引線(xiàn)中通過(guò)大電流時(shí)，靜電場(chǎng)力驅動(dòng)電子由陰極向陽(yáng)極運動(dòng)，高速運動(dòng)的電子與金屬原子發(fā)生能量交換，原子受到猛烈的電子沖擊力，這就是所謂的電子風(fēng)力。但是，事實(shí)上金屬原子同時(shí)還受到反方向的靜電場(chǎng)力。當互連線(xiàn)中的電流密度較高時(shí)，向陽(yáng)極運動(dòng)的大量電子碰撞原子，使得金屬原子受到的電子風(fēng)力大于靜電場(chǎng)力。因此，金屬原子受到電子風(fēng)力的驅動(dòng)，使其從陰極向陽(yáng)極定向擴散，從而發(fā)生電遷移。

　　傳統的評價(jià)電遷移的方法是封裝法。對樣品進(jìn)行封裝后，置于高溫爐中，并在樣品中通過(guò)一定電流，監控樣品電阻的變化。當樣品的電阻變化到一定比例后，就認為其發(fā)生電遷移而失效，這期間經(jīng)過(guò)的時(shí)間就為在該加速條件下的電遷移壽命。但是封裝法的缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，首先封裝就要花費很長(cháng)的時(shí)間，同時(shí)，用這種方法時(shí)通過(guò)金屬線(xiàn)的電流非常小，測試非?；ㄙM時(shí)間，一般要好幾周。因為在用封裝法時(shí)，爐子的溫度被默認為就是金屬線(xiàn)溫度，如果有很大的電流通過(guò)金屬線(xiàn)會(huì )使其產(chǎn)生很大的焦耳熱，使金屬線(xiàn)自身的溫度高于爐子的溫度，而不能確定金屬線(xiàn)溫度。

　　所以，后來(lái)發(fā)展了自加熱法（ISO-thermal）。該方法不用封裝，可以真正在硅片級測試。它是利用了金屬線(xiàn)自身的焦耳熱使其升高。然后用電阻溫度系數（temperature coefficient of resistance，TCR）確定金屬線(xiàn)的溫度。在實(shí)際操作中，可以調節通過(guò)金屬線(xiàn)的電流來(lái)調節它的溫度。實(shí)際應用表明，這種方法對于金屬線(xiàn)的電遷移評價(jià)非常有效，但是對于通孔的電遷移評價(jià)，該方法就不適用了。因為，過(guò)大的電流會(huì )導致通孔和金屬線(xiàn)界面出的溫度特別高，從而還將無(wú)法確定整個(gè)通孔電遷移測試結構的溫度。針對這種情況，又有研究者提出了一種新的測試結構——多晶硅加熱法。這種方法是利用多晶硅作為電阻，通過(guò)一定電流后產(chǎn)生熱量，利用該熱量對電遷移測試結構進(jìn)行加熱。此時(shí)，多晶硅就相當于一個(gè)爐子。該方法需要注意的是在版圖設計上的要求比較高，比如多晶硅的寬度，多晶硅上通孔的數目等都是會(huì )影響其加熱性能的。

　　以上三種方法得到的都是加速測試條件下的電遷移壽命，我們需要的是在使用條件和設計規則電流下的電遷移壽命，利用Black方程來(lái)推得我們想要的電遷移壽命。 氧化膜可靠性

　　集成電路以高速化和高性能化為目標，實(shí)現著(zhù)進(jìn)一步的微細結構。隨著(zhù)微細結構在工業(yè)上的實(shí)現， 降低成本和提高集成度成為可能。另一方面，隨著(zhù)MOS 集成電路的微細化，柵氧化層向薄柵方向發(fā)展，而電源電壓卻不宜降低，柵氧化層工作在較高的電場(chǎng)強度下，從而使柵氧化層的抗電性能成為一個(gè)突出的問(wèn)題。柵極氧化膜抗電性能不好將引起MOS器件電參數不穩定，進(jìn)一步可引起柵氧的擊穿。柵氧擊穿作為MOS 電路的主要失效模式已成為目前國際上關(guān)注的熱點(diǎn)。

　　評價(jià)氧化膜可靠性的結構一般都是MOS電容，評價(jià)氧化膜不同位置的特性，需要設計不同的結構，主要有三種結構：大面積MOS電容，多晶硅梳狀電容，有源區梳狀電容等。評價(jià)氧