WLR測試中所面臨的新挑戰

　　就像摩爾定律驅動(dòng)半導體幾何尺寸的縮小一樣，有關(guān)解決半導體可靠性問(wèn)題的活動(dòng)也遵循一個(gè)似乎有點(diǎn)可以預測的周期。例如，技術(shù)演進(jìn)到VLSI時(shí)，為了保持導線(xiàn)的電路速度，引入了鋁線(xiàn)連接。此時(shí)，很快就發(fā)現了電子遷移這類(lèi)的可靠性問(wèn)題。一旦發(fā)現了問(wèn)題所在，就會(huì )通過(guò)實(shí)驗來(lái)對退化機制進(jìn)行建模。利用這些模型，工藝工程師努力使新技術(shù)的可靠性指標達到最佳。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)一步成熟，焦點(diǎn)轉移到缺陷的降低上面。而隨著(zhù)ULSI的引入，由于使用了應力硅、銅和低K介電材料等，又開(kāi)始一輪新周期。

　　隨著(zhù)引入的化合物材料的增加，可靠性方面的挑戰繼續加大。這些新挑戰意味著(zhù)可靠性測試日趨艱難，目前的測試設備已無(wú)法滿(mǎn)足。在現有設備的能力與尚未滿(mǎn)足的測試需求之間，可靠性和質(zhì)保方面的工程師和研究人員正在面臨日見(jiàn)擴大的差距。這種情況下要求測試儀器提供商和處于可靠性測試技術(shù)前沿的客戶(hù)之間進(jìn)一步通力合作。

　　可靠性測試發(fā)展趨勢

　　目前業(yè)界正在尋求新型的半導體門(mén)介質(zhì)材料，來(lái)解決超薄門(mén)所導致的漏電流增加。隨著(zhù)一些非常規的介電材料的引入，例如二氧化鉿，此時(shí)眾所周知的偏置溫度不穩定(BTI)這類(lèi)退化機制就變成非常嚴重的問(wèn)題。固然，這些新材料可以降低門(mén)泄漏，從而降低靜態(tài)工作點(diǎn)，但也導致門(mén)限電壓和基帶電壓不穩定的問(wèn)題。

　　除BTI之外，新一代的門(mén)堆疊(特別是高K金屬門(mén))顯示時(shí)間取決于介質(zhì)擊穿(TDDB)特性，這與傳統的SiO2材料極大不同。先前用于硬擊穿和軟擊穿的模型比較好理解，然而這些新材料則呈現“漸進(jìn)擊穿(progressive breakdown)”。眼下的迫切任務(wù)就是要探索失效機制背后的物理特性的具體細節，隨著(zhù)這些材料進(jìn)入工藝兼容性正在被優(yōu)化的工程階段，這一任務(wù)顯得日益迫切。這些都要求一類(lèi)新的測試設備，這些設備不僅要具有較好的測試功能，還要有豐富的處理功率(processing power)，以適應創(chuàng )新的測試序列。 

　　許多退化機制都是由阱電荷導致的結果。因此，需要對相對于器件的誘捕和釋放(trapping and de-trapping)速率的參數退化量進(jìn)行測量。測量必須在電應力去掉后迅速完成，而且應力條件還必須在測量完成后盡可能快地恢復。故絕大多數的老式儀器都無(wú)法滿(mǎn)足這些要求。

　　此外，很明顯，各種晶體管性能增強技術(shù)導致了器件可靠性和電路可靠性方面復雜的相互作用。例如，用來(lái)提高通道遷移率的應力硅工藝會(huì )惡化BTI性能。進(jìn)一步說(shuō)，門(mén)限電壓的不穩定將會(huì )導致遷出電流提高，從而導致較高的結溫。結溫的升高將會(huì )加速介質(zhì)泄漏和擊穿。這些高級別的交互作用難以建模，并隨機地導致失效。研發(fā)可靠的模型就需要相應的測試儀器，以便能夠捕獲大量的、具備統計意義的帶有快速測試序列的測試樣本。

　　電路中的晶體管間的交互作用甚至比單個(gè)晶體管內部的工作機制更復雜，故對其建模來(lái)說(shuō)，大的數據集是尤其重要的。例如，P-MOS和N-MOS晶體管的退化方式就不一樣。N-MOS容易導致BTI。結果，一個(gè)具有互補晶體管的電路來(lái)傳送時(shí)鐘信號時(shí)，在一個(gè)負載周期內或信號轉換周期內會(huì )產(chǎn)生變化。此外，在不同的退化機制之間也會(huì )產(chǎn)生復雜的交互作用。例如，軟介質(zhì)擊穿通常會(huì )導致泄露增加。盡管這不會(huì )導致晶體管徹底失效，但可以加速BTI。由于這些原因，需要捕獲大量的具有統計意義的樣本數，這意味著(zhù)征集的數據點(diǎn)多達40000個(gè)或更多。

圖1：半導體缺陷減少/可靠性改善周期。

　　圖2：多路的MSU不適合控制器件的弛豫時(shí)間。

　　舊式測試設備存在的問(wèn)題

　　這些新挑戰意味著(zhù)可靠性測試正在變得更加困難，已經(jīng)超出了現有測試硬件的能力。必須對BTI和漸進(jìn)擊穿這類(lèi)的機制進(jìn)行快速和精確的測量。利用架構間的多路技術(shù)這種老方法速度不夠快。為了達到具有統計意義的樣本量，并滿(mǎn)足關(guān)鍵的定時(shí)要求，通常需要對每一個(gè)架構使用專(zhuān)用的源和測量硬件。

　　利用一般的傳統測量系統來(lái)進(jìn)行可靠性測試將會(huì )產(chǎn)生下列問(wèn)題：
　　1. 低成本單通道系統通常依賴(lài)開(kāi)關(guān)來(lái)減少所需的SMU的數量；這意味著(zhù)應力測量轉換很慢。利用多路技術(shù)來(lái)連續監控每個(gè)測試架構也是不可能的。這也就意味著(zhù)真正的并聯(lián)測試是不可能的；
　　2. 由于較差的定時(shí)和響應時(shí)間通常也無(wú)法捕獲重要的瞬變事件，也會(huì )導致不好控制馳豫時(shí)間；
　　3. 儀器中的處理器可編程和判決能力受到限制。這也意味著(zhù)像數據稀釋之類(lèi)的更有潛在價(jià)值的處理器的利用也是不可能的；
　　4. 許多傳統系統的緩沖容量大約只有5,000；這對于像捕獲一個(gè)完整的低K金屬門(mén)失效數據這類(lèi)的絕大多數可靠性測試的需求來(lái)說(shuō)實(shí)在太小。
傳統測試系統的軟件架構如圖3所示。通常，中央控制器是一臺運行SMU控制庫的計算機。這些庫中包含與所有SMU相關(guān)活動(dòng)的測試程序，包括判決程序。

　　圖3：傳統測試系統的軟件架構。

　　這類(lèi)架構的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是中央控制器必須照顧到測試程序中的每一步。例如，在標準的等溫電遷移測試中，為了保證測試架構的各個(gè)地方的溫度恒定，需要對電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整。SMU采集電流并測量電阻。然后將GPIB總線(xiàn)上的電阻值報告給中央控制器?？刂破饔嬎銣囟?，然后決定下一個(gè)采集的電流。帶有一個(gè)新電流值的下一條指令被送到SMU，然后送到GPIB總線(xiàn)上。該過(guò)程對于幾百個(gè)也許是數千個(gè)數據點(diǎn)不斷重復。通常這種情況要調用所有的程序，許多情況下總線(xiàn)延遲是一個(gè)嚴重的問(wèn)題。

　　新一代的測試設備

　　目前有一種新的測試系統架構，基于“智能”的SMU，能夠提供更高的吞吐量，更好的測試完整性，更大的靈活度，以及總體上更強的信息處理和判決能力。這是由于在設備中內嵌了一個(gè)滿(mǎn)32位的測試腳本處理器(TSP)，該處理器運行全功能編程語(yǔ)言。該類(lèi)智能SMU被用在Keithley2600系列的SourceMeter儀器中。

　　由于具有類(lèi)似計算機的計算能力，2600系列SourceMeter測試系統中的軟件架構有所改變(圖4)。注意現在控制測試程序連同所有的判決的職責都轉移到了儀器上，而中央控制器(計算機)只保留了對嵌入式測試腳本和數據管理進(jìn)行功能調用的職責。

　　圖4：基于智能SMU概念的新型軟件架構。

　　具有更復雜判決的客戶(hù)測試程序可以駐留在儀器中。SMU不再需要通過(guò)GPIB將數據返回到計算機控制程序，而是等待判決和下一個(gè)指令。簡(jiǎn)言之，總線(xiàn)延遲將不再是一個(gè)問(wèn)題-測試可以以更自動(dòng)的方式進(jìn)行，而且執行速度更快。

　　該儀器的TSP腳本語(yǔ)言基于眾所周知的開(kāi)放源語(yǔ)言引擎，其在視頻游戲開(kāi)發(fā)者中間有大量沿用。該腳本語(yǔ)言設計得簡(jiǎn)單，效率高，輕便且嵌入成本低。該語(yǔ)言值得設計師稱(chēng)頌的是具有小腳本的快速語(yǔ)言引擎，對于嵌入式系統特別理想。似乎其所有所需的都是為復雜判決而構建的，還有其他豐富的功能-不過(guò)這些都超越了文本的討論范疇。 盡管可以使用任意的字處理器來(lái)編寫(xiě)測試腳本，2600系列SourceMeter還是帶有一個(gè)方便的腳本構建工具-測試腳本生成器。一旦書(shū)寫(xiě)后，腳本可以存儲在2600中的非易失性緩沖器中。從軟件移植的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，絕大多數的用戶(hù)測試序列都可以在該儀器中實(shí)現。在很多情況下，將一個(gè)功能調用到嵌入式測試腳本中，使用一個(gè)單GPIB寫(xiě)命令，將會(huì )生成整個(gè)測試序列。

　　一般地，基于2600系統的軟件配置包括兩個(gè)主要部分，見(jiàn)圖5。

　　圖5 ：2600系列SourceMeter的軟件架構的兩個(gè)主要部分。

　　1. 一個(gè)駐留在計算機中的GUI，用于讀取用戶(hù)輸入和顯示數據
　　2. 駐留在2600主機中的測試腳本，用來(lái)對所有的測試程序和判決進(jìn)行排序。
注意，任何其程序基于計算機的GUI的主要職責現在僅限于進(jìn)行測試參量和選擇方面的功能調用，還有數據顯示和管理。

　　為了適應日益增長(cháng)的處理需求，2600系列還大大增強了數據存儲能力。這包括多路非易失性緩沖器，能夠存儲用于每個(gè)SMU的大約5萬(wàn)個(gè)測量和時(shí)間印記數據對。此外，還為每個(gè)SMU配備了多路易失性緩沖器。實(shí)際上，用戶(hù)可以為易失性緩沖器創(chuàng )建和規定所需的存儲容量。該緩沖器時(shí)間印記的分辨率為1微妙，定時(shí)精度為百萬(wàn)分五十。

　　系統架構和并行測試

　　為了進(jìn)一步利用增強的處理能力，2600系列還有另一個(gè)獨特功能，就是具備“無(wú)主機(mainframe-less)”擴展能力。該功能允許多路的SourceMeter利用稱(chēng)為T(mén)SP-Link?的內部單元通信總線(xiàn)聯(lián)系到一起，該總線(xiàn)采用標準的以太網(wǎng)電纜。通過(guò)利用這一虛擬架構，所有的SMU就像位于同一個(gè)大型主機系統中一樣。主機單元占據一個(gè)GPIB地址，它可以通過(guò)TSP-Link總線(xiàn)來(lái)控制128個(gè)SMU。主機單元運行用戶(hù)書(shū)寫(xiě)的嵌入式腳本并作為受其控制的所有SMU的判決單元。

　　該功能在滿(mǎn)足特定的測試需求的系統架構中提供了空前的靈活度?？梢愿鶕y試的強度，或者根據需要的并行測試數量，來(lái)設計系統使其具有適當的主機單元數量。圖6a中，系統只有一個(gè)主機單元，控制16個(gè)SMU(每個(gè)單元中有兩個(gè)SMU)；而在6b中，則有四個(gè)主機單元，每一個(gè)分別控制四個(gè)SMU。由一個(gè)主機單元控制一組SMU就是眾所周知的“通道組”技術(shù)。

　　圖6a 具有一個(gè)控制16個(gè)SMU(每個(gè)儀器中有兩個(gè)SMU)的主機單元的多通道測試系統

　　圖6b ：利用一個(gè)主機單元控制一個(gè)通道組中的四個(gè)SMU、并共有四個(gè)通道組的多通道測試系統。

　　注意只有要求2600作為主機單元時(shí)它才占用一個(gè)GPIB地址。圖6b的配置特別適合于每個(gè)測試端口需要一個(gè)SMU的四端口器件。因為每個(gè)通道足有一個(gè)控制該通道組內所有SMU的主機單元，因此在并行測試時(shí)配置非常方便。特別地，測試腳本庫要預裝載到所有的主機單元中，然后只需對帶有用戶(hù)輸入參數的腳本進(jìn)行一次功能調用就可以運行測試。GUI軟件需要做的所有事情就是通過(guò)GPIB寫(xiě)入線(xiàn)發(fā)送帶有用戶(hù)輸入參數的功能調用。如果在并行測試時(shí)需要更高的同步性能，計算機可以向所有的主機單元發(fā)送一個(gè)GPIB組觸發(fā)信號，它可以啟動(dòng)組內SMU上測試程序的運行。出于這一工作安排，GUI程序上僅需的主要功能就是具有基本的GPIB功能-即GPIB讀取，GPIB寫(xiě)入等。

　　圖6b中的安排與將處理電源分布到網(wǎng)絡(luò )中的各個(gè)地方的現代計算機網(wǎng)絡(luò )也有點(diǎn)類(lèi)似。具有許多“從”端設備的單獨的中央處理器架構已是過(guò)時(shí)。在2600系列基礎測試系統中也采用了分布式技術(shù)，將運行測試功能和判決的職責分布到所有的主機單元上。

　　與處理能力相匹配的硬件性能

　　Keithley2600系列的源測量硬件引擎的多功能性是無(wú)可比擬的。其高速度允許捕獲瞬變行為，而且每秒征集的讀數高達10,000個(gè)，或者說(shuō)每秒多達5,500個(gè)源測量點(diǎn)。

　　該力感應電路(圖7)帶有力(輸入/輸出)“高(Hi)”/“低(Lo)”和感應“高(Hi)”/“低(Lo)引端，對于返回電流允許使用力Lo或感應Lo引端。2600系列的力Lo和感應Lo與底盤(pán)地電氣隔離，故一個(gè)單獨的SMU就能執行全4線(xiàn)開(kāi)爾文測量。這是許多測試協(xié)議中的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，如電遷移協(xié)議，因為在每個(gè)采樣架構中僅需要一個(gè)SMU。因為不需要公共地，故對于2600基礎平臺來(lái)說(shuō)，測量多路器件不再是問(wèn)題。

　　圖7：2600系列的力感應電路（含源電壓配置）。

　　所有的2600系列儀器都具備四象限操作(圖8)，使得他們能夠適應于更廣的應用，他們可以用作為源或接收器(負載)。

　　圖8：Keithley2611和2612的四象限工作參數。

　　更進(jìn)一步，每一個(gè)SMU含有兩個(gè)A/D變換器，可以同時(shí)進(jìn)行電流和電壓測量。于是減少了延遲并增加了測試吞吐率。另外可以方便地對該系統的規模進(jìn)行升級，見(jiàn)圖9。

　　圖9：構建升級系統非常容易，可以實(shí)現高達896個(gè)SMU通道。

　　充分利用SMU測試序列(可選)

　　在從單一源-測試儀器向SMU轉換時(shí)，吞吐率方面最大的收益來(lái)自于系統程序的改變。不再用基于計算機的控制，而是讓SMU的測試序列器和程序存儲器來(lái)控制測試。這就充分利用了SMU的許多特色和功能，例如四象限操作，電壓和電流掃描，內置的波形產(chǎn)生器，程序深存儲器，皮秒級的靈敏度，5位半數字分辨率，判定測試通過(guò)與否的測量比較器，以及用來(lái)控制其它設備的I/O接口。

　　所有這些功能把Keithley 2600系列SMU提升到了一個(gè)新高度。其嵌入式測試腳本程序增強了靈活性，自動(dòng)執行測試的能力非常強大。用戶(hù)可以利用一臺儀器實(shí)現很多應用，硬件/軟件集成任務(wù)大為簡(jiǎn)化。人們能夠容易地為精密DC、脈沖、低頻AC源-測試構建具備成本效益、可升級、具有大吞吐率的測試解決方案。

　　2600系列儀器在I-V可靠性測試應用中，能夠提供比其競爭對手高2-4倍的測試速度。還能提供更高的源-測量通道密度和低成本。在每個(gè)測試點(diǎn)上，模數轉換器提供小于100?s的電流和電壓的同時(shí)測量，源-測量掃描速度小于230?s。其高速的源-測量能力，加上嵌入式測試腳本，使得吞吐率比通過(guò)GPIB來(lái)運行基于計算機的程序提高了多達10倍。

　　結論

　　目前半導體測試又一次面臨新興的測試需求遠遠超過(guò)了現有系統能夠提供的能力的局面。需要改變測試系統架構來(lái)成功滿(mǎn)足新的測試需求。Keithley 2600系列代表新一代的智能SMU，其架構能夠提供高吞吐率，數據完整性，在半導體可靠性測試項目所需的擴展和重新改變用途方面具有很大的靈活性。