晶圓級可靠性測試:器件開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵步驟（一）

摘要 隨著(zhù)器件尺寸的持續減小，以及在器件的制造中不斷使用新材料，對晶圓級可靠性測試的要求越來(lái)越高。在器件研發(fā)過(guò)程中這些發(fā)展也對可靠性測試和建模也提出了新的要求。為了滿(mǎn)足這些挑戰需要開(kāi)發(fā)更快、更敏感、更具靈活性的可靠性測試工具。

　　隨著(zhù)集成電路技術(shù)的持續發(fā)展，芯片上將集成更多器件，芯片也將采用更快的時(shí)鐘速度。在這些要求的推進(jìn)下，器件的幾何尺寸將不斷縮減，并要求在芯片的制造工藝中并不斷采用新材料和新技術(shù)。這些改進(jìn)對于單個(gè)器件的壽命來(lái)說(shuō)影響非常大，可能造成局部區域的脆性增加、功率密度提高、器件的復雜性增加以及引入新的失效機制。從前制造器件壽命達100年的工藝在縮減尺寸之后制造的器件可能壽命不到10年——這些對于那些設計壽命為10年左右的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)不利的消息。同時(shí)較小的容錯空間意味著(zhù)壽命問(wèn)題必須在設計的一開(kāi)始就給予考慮，并且在器件的開(kāi)發(fā)和制造過(guò)程中一直進(jìn)行監控，這個(gè)過(guò)程需要持續到最終產(chǎn)品完成。時(shí)至今日，器件壽命上一個(gè)很小的變化可能帶來(lái)整個(gè)產(chǎn)品的徹底失敗。

　　盡管大部分可靠性測試都是在器件封裝級別上完成的，但許多IC制造商現在正在向晶圓級測試（WLT）轉移。這種轉移一般出于多方面考慮，包括將來(lái)把可靠性測試融入到晶圓的制造流程中。同已封裝好的失效器件相比，晶圓級可靠性（WLR）測試也節省了大量的時(shí)間、產(chǎn)能、金錢(qián)以及材料的損耗。其返工時(shí)間較短，可以直接從生產(chǎn)線(xiàn)中將失效的晶圓抽出并測試，而不需要先將這部分器件封裝之后再測試，封裝并測試的流程需要花上兩周的時(shí)間。由于大部分測試流程相似，保證了可靠性測試向WLT轉移的簡(jiǎn)易性。

　　在半導體器件中，應力檢測是衡量器件運行壽命和損耗失效的常用方法。該測試關(guān)注的失效機制位于圖1所示典型失效率浴缸曲線(xiàn)的右側;這就是說(shuō)，并不關(guān)注與器件初用期或制造期相關(guān)的失效。

　　通過(guò)應力檢測可以方便地做出曲線(xiàn)，并外推來(lái)預測器件的運行壽命。由于器件的壽命通常都是用年來(lái)度量的，因為需要采用一些手段來(lái)加速測試。最有效的方法是讓器件處于應力過(guò)載狀態(tài)，然后測量可以衡量性能降低的關(guān)鍵參數，將測得的參數外推得到器件的壽命。在圖2中，曲線(xiàn)的右下部分（實(shí)測數據）就是在高應力狀態(tài)下測得的。通過(guò)實(shí)測數據可以進(jìn)行線(xiàn)性外推用于預測正常工作條件下器件的壽命（曲線(xiàn)的左上部）。

　　一般的WLR測試均使用應力測試技術(shù)，其中包括熱載流子注入（HCI）或溝道熱載流子、負偏壓溫度不穩定性（NBTI）、電遷移、時(shí)間相關(guān)介電層擊穿（TDDB）或電荷擊穿（QBD）。這些測試技術(shù)在主流CMOS器件的開(kāi)發(fā)和工藝控制中運用得非常普遍（傳統HCI和NBTI測試的介紹請參見(jiàn)附文）。

　　新的尺寸縮減和新材料的使用要求對這些完備的測試方法進(jìn)行修改，并且升級測試工具以適應新技術(shù)。下面給出兩個(gè)例子，一個(gè)是如何克服PMOS器件中與NBTI測試相關(guān)的挑戰，另一個(gè)是在使用高k柵極材料的晶體管中，如何克服與電荷俘獲現象相關(guān)的挑戰。

　　NBTI測試中的退化緩和

　　NBTI測試的特別之處在于其性能退化在去掉應力加載之后還可以恢復（圖3）。當柵極電壓（Vg）引入的應力卸載之后，漏極電流（Id）和閾值電壓（Vt）的退化會(huì )逐漸恢復并最終返回到起始的情況?；謴偷乃俣葘囟鹊囊蕾?lài)程度很高。在室溫下完全恢復的情況也見(jiàn)諸報道。當恢復之后如果再次在柵極引入應力，性能退化將按照上次退化的曲線(xiàn)發(fā)展。但在較高溫度時(shí)，將有一部分退化的性能是無(wú)法抵消的，這種情況稱(chēng)為退化鎖定。

　　在并行NBTI測試中，當應力卸載后Id 退化恢復過(guò)程的測量是一個(gè)極大的挑戰。傳統的測試方法需要花很長(cháng)的時(shí)間來(lái)測試HCI退化，通常并行對器件加載應力，之后將應力源斷開(kāi)，對器件進(jìn)行順序測量（圖4）。這種方法有兩個(gè)問(wèn)題：首先，從斷開(kāi)應力源到開(kāi)始測量需要一段時(shí)間，而在這段時(shí)間內一旦應力源消失退化的恢復實(shí)際已經(jīng)開(kāi)始了;其次，由于順序測量器件，其測量時(shí)間也不同，那么退化恢復的程度也有差異。對于最后一個(gè)測量的器件來(lái)說(shuō)，測量時(shí)其退化程度可能是第一個(gè)被測器件的一小部分。這些缺點(diǎn)要求采用無(wú)應力轉換的開(kāi)關(guān)、可以完成多器件并行測量的測試方法。另外還要求可以通過(guò)幾點(diǎn)測試數據估測Vt 的退化情況，而不是像傳統方法那樣必須使用整條Id-Vg 曲線(xiàn)來(lái)測量Vt 退化。

　　NBTI測試中，退化恢復的另一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題同晶體管工作時(shí)是否能達到頻繁的開(kāi)關(guān)狀態(tài)有關(guān)。因為只有在晶體管關(guān)斷的條件下，NBTI退化才能開(kāi)始恢復。因此，如果使用傳統的DC應力和退化手段，如果晶體管一直處于開(kāi)態(tài)，將不會(huì )有恢復現象出現，這樣將會(huì )導致低估晶體管的壽命。

　　一種解決這些動(dòng)態(tài)恢復問(wèn)題的方法是采用脈沖應力取代傳統的DC應力。使用這一技術(shù)，晶體管受到脈沖應力，其工作狀態(tài)在開(kāi)