晶圓級(jí)可靠性測(cè)試:器件開發(fā)的關(guān)鍵步驟（一）

摘要 隨著器件尺寸的持續(xù)減小，以及在器件的制造中不斷使用新材料，對(duì)晶圓級(jí)可靠性測(cè)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(duì)可靠性測(cè)試和建模也提出了新的要求。為了滿足這些挑戰(zhàn)需要開發(fā)更快、更敏感、更具靈活性的可靠性測(cè)試工具。

　　隨著集成電路技術(shù)的持續(xù)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(duì)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(qū)域的脆性增加、功率密度提高、器件的復(fù)雜性增加以及引入新的失效機(jī)制。從前制造器件壽命達(dá)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(duì)于那些設(shè)計(jì)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(cuò)空間意味著壽命問(wèn)題必須在設(shè)計(jì)的一開始就給予考慮，并且在器件的開發(fā)和制造過(guò)程中一直進(jìn)行監(jiān)控，這個(gè)過(guò)程需要持續(xù)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(cè)試都是在器件封裝級(jí)別上完成的，但許多IC制造商現(xiàn)在正在向晶圓級(jí)測(cè)試（WLT）轉(zhuǎn)移。這種轉(zhuǎn)移一般出于多方面考慮，包括將來(lái)把可靠性測(cè)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(jí)可靠性（WLR）測(cè)試也節(jié)省了大量的時(shí)間、產(chǎn)能、金錢以及材料的損耗。其返工時(shí)間較短，可以直接從生產(chǎn)線中將失效的晶圓抽出并測(cè)試，而不需要先將這部分器件封裝之后再測(cè)試，封裝并測(cè)試的流程需要花上兩周的時(shí)間。由于大部分測(cè)試流程相似，保證了可靠性測(cè)試向WLT轉(zhuǎn)移的簡(jiǎn)易性。

　　在半導(dǎo)體器件中，應(yīng)力檢測(cè)是衡量器件運(yùn)行壽命和損耗失效的常用方法。該測(cè)試關(guān)注的失效機(jī)制位于圖1所示典型失效率浴缸曲線的右側(cè);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(yīng)力檢測(cè)可以方便地做出曲線，并外推來(lái)預(yù)測(cè)器件的運(yùn)行壽命。由于器件的壽命通常都是用年來(lái)度量的，因?yàn)樾枰捎靡恍┦侄蝸?lái)加速測(cè)試。最有效的方法是讓器件處于應(yīng)力過(guò)載狀態(tài)，然后測(cè)量可以衡量性能降低的關(guān)鍵參數(shù)，將測(cè)得的參數(shù)外推得到器件的壽命。在圖2中，曲線的右下部分（實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)）就是在高應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)得的。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行線性外推用于預(yù)測(cè)正常工作條件下器件的壽命（曲線的左上部）。

　　一般的WLR測(cè)試均使用應(yīng)力測(cè)試技術(shù)，其中包括熱載流子注入（HCI）或溝道熱載流子、負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)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(cè)試技術(shù)在主流CMOS器件的開發(fā)和工藝控制中運(yùn)用得非常普遍（傳統(tǒng)HCI和NBTI測(cè)試的介紹請(qǐng)參見附文）。

　　新的尺寸縮減和新材料的使用要求對(duì)這些完備的測(cè)試方法進(jìn)行修改，并且升級(jí)測(cè)試工具以適應(yīng)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(cè)試相關(guān)的挑戰(zhàn)，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(xiàn)象相關(guān)的挑戰(zhàn)。

　　NBTI測(cè)試中的退化緩和

　　NBTI測(cè)試的特別之處在于其性能退化在去掉應(yīng)力加載之后還可以恢復(fù)（圖3）。當(dāng)柵極電壓（Vg）引入的應(yīng)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(fù)并最終返回到起始的情況?；謴?fù)的速度對(duì)溫度的依賴程度很高。在室溫下完全恢復(fù)的情況也見諸報(bào)道。當(dāng)恢復(fù)之后如果再次在柵極引入應(yīng)力，性能退化將按照上次退化的曲線發(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，這種情況稱為退化鎖定。

　　在并行NBTI測(cè)試中，當(dāng)應(yīng)力卸載后Id 退化恢復(fù)過(guò)程的測(cè)量是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的測(cè)試方法需要花很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)測(cè)試HCI退化，通常并行對(duì)器件加載應(yīng)力，之后將應(yīng)力源斷開，對(duì)器件進(jìn)行順序測(cè)量（圖4）。這種方法有兩個(gè)問(wèn)題：首先，從斷開應(yīng)力源到開始測(cè)量需要一段時(shí)間，而在這段時(shí)間內(nèi)一旦應(yīng)力源消失退化的恢復(fù)實(shí)際已經(jīng)開始了;其次，由于順序測(cè)量器件，其測(cè)量時(shí)間也不同，那么退化恢復(fù)的程度也有差異。對(duì)于最后一個(gè)測(cè)量的器件來(lái)說(shuō)，測(cè)量時(shí)其退化程度可能是第一個(gè)被測(cè)器件的一小部分。這些缺點(diǎn)要求采用無(wú)應(yīng)力轉(zhuǎn)換的開關(guān)、可以完成多器件并行測(cè)量的測(cè)試方法。另外還要求可以通過(guò)幾點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)估測(cè)Vt 的退化情況，而不是像傳統(tǒng)方法那樣必須使用整條Id-Vg 曲線來(lái)測(cè)量Vt 退化。

　　NBTI測(cè)試中，退化恢復(fù)的另一個(gè)常見問(wèn)題同晶體管工作時(shí)是否能達(dá)到頻繁的開關(guān)狀態(tài)有關(guān)。因?yàn)橹挥性诰w管關(guān)斷的條件下，NBTI退化才能開始恢復(fù)。因此，如果使用傳統(tǒng)的DC應(yīng)力和退化手段，如果晶體管一直處于開態(tài)，將不會(huì)有恢復(fù)現(xiàn)象出現(xiàn)，這樣將會(huì)導(dǎo)致低估晶體管的壽命。

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