晶圓級可靠性測試:器件開發(fā)的關(guān)鍵步驟（二）

可靠性測試儀器的發(fā)展趨勢

　　就像前文所指出的那樣，可靠性測試需要與新器件的設(shè)計(jì)和新材料的使用密切關(guān)聯(lián)。盡管HCI測試仍然是可靠性測試中非常重要的一環(huán)，但工程師們越來越關(guān)注于PMOS的NBTI測試;高k柵極晶體管的電荷俘獲現(xiàn)象;以及NBTI、TDDB和HCI的疊加效應(yīng)，例如NBTI增強(qiáng)的熱載流子和TDDB增強(qiáng)的NBTI等。為了面對這些新挑戰(zhàn)，測試方法已經(jīng)從DC應(yīng)力激勵(lì)和DC、脈沖應(yīng)力同時(shí)作用轉(zhuǎn)向性能退化中的松弛現(xiàn)象研究。更進(jìn)一步，當(dāng)前的測試儀器包含有更全面的參數(shù)用以表征器件性能，其中包括DC I-V、C-V、電荷抽取和電荷俘獲（圖8）。

　　這些不斷改進(jìn)的測試要求推動工程師們不斷尋找合適的測試工具，這樣才能滿足高效開發(fā)器件和工藝的要求。理想的測試工具需要足夠敏感，可以捕獲所有由應(yīng)力引起的性能退化的細(xì)節(jié)，也要具有足夠的靈活性，可以適用于例如應(yīng)力C-V測試、電荷抽取等非傳統(tǒng)的WLR測試。還要求測試工具具有良好的可擴(kuò)展性，這樣在每次采用新的測試方案時(shí)不需要再購進(jìn)一套新測試系統(tǒng)。最后，測試工具還要易于使用，這樣工程師們可以將寶貴的精力放在數(shù)據(jù)分析而不是儀器的操作上。

　　為了滿足上述要求，一**代可靠性測試系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特征：

　　◆ 可以滿足加速測試，并不用在精度和外推器件壽命應(yīng)用上過于折中的硬件和軟件系統(tǒng)

　　◆ 帶有熱卡盤的半自動或全自動探針

　　◆ 低漏電的操縱裝置或平行探針卡

　　◆ 控制儀器、探針、卡盤的驅(qū)動設(shè)備，可以進(jìn)行測試初始化、展開測試和管理數(shù)據(jù)

　　◆ 可以在不同使用者的測試條件、新材料和不同失效機(jī)制間轉(zhuǎn)換的靈活性

　　◆ 可以方便提取最終器件壽命并在短期加速測試中預(yù)測器件壽命的軟件系統(tǒng)

　　不斷提高的測試規(guī)模和新材料的應(yīng)用使得WLR測試比以往更為困難。這些也促進(jìn)了可靠性測試和建模向上游工藝的發(fā)展——這一點(diǎn)在工藝的研發(fā)領(lǐng)域體現(xiàn)得更為顯著。儀器制造商正致力于使測試工具更快、更敏感、具有更高的靈活性來滿足降低測試成本縮短上市時(shí)間的要求。

　　傳統(tǒng)熱載流子注入測試和負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性測試

　　熱載流子注入（HCI）

　　熱載流子注入（HCI）在過去幾代CMOS中一直是最重要的可靠性測試方法之一。這一過程機(jī)制如下：在MOSFET中，很高的側(cè)向電場產(chǎn)生熱載流子（高能電子或空穴），這些熱載流子會損壞MOS柵氧化層界面并導(dǎo)致器件I-V性能退化。由于溝道內(nèi)的側(cè)向電場是柵極電壓（Vg）除以溝道長度，因此當(dāng)溝道長度縮短時(shí)這種情況更加退化。由于溝道長度的縮減比例比Vg的縮減比例要高，增加的側(cè)向電場會產(chǎn)生更高能量的熱載流子，導(dǎo)致對柵氧化層的損壞更強(qiáng)烈。這種損壞是由載流子加速后的高動能造成的，并在粒子沖擊過程中產(chǎn)生電子/空穴對。可以看到器件的IDS（圖）、跨導(dǎo)和閾值電壓（Vt）都發(fā)生了退化 。退化首先降低器件的運(yùn)行速度，最終器件會完全無法正常工作而失效。HCI測試是在加載電流應(yīng)力條件下，檢查MOSFET晶體管性能退化的速度。通常在應(yīng)力條件下測試，這樣做是為了加速器件的性能退化再外推出器件在正常使用情況下的實(shí)際壽命（正文中的圖2）。

　　負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性（NBTI）

　　負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性（NBTI）是在PMOS晶體管的一種失效模式，并且隨著晶體管柵極工作電壓的不斷降低，這一問題更為嚴(yán)重。NBTI退化的測量依據(jù)是閾值電壓隨著時(shí)間的偏移，與這種偏移相聯(lián)系的后果是運(yùn)行速度變慢、漏電更多以及高溫負(fù)偏壓下驅(qū)動電流降低。NBTI測試通常是順序加載應(yīng)力的過程。在某應(yīng)力條件下，加載負(fù)的柵極偏壓，晶體管的其他極接地。在兩個(gè)連續(xù)應(yīng)力之間，使用正常的工作條件測漏極電流（Id）。將Id或者Vt的退化