WLR測試中所面臨的新挑戰(zhàn)

　　就像摩爾定律驅(qū)動半導(dǎo)體幾何尺寸的縮小一樣，有關(guān)解決半導(dǎo)體可靠性問題的活動也遵循一個似乎有點可以預(yù)測的周期。例如，技術(shù)演進(jìn)到VLSI時，為了保持導(dǎo)線的電路速度，引入了鋁線連接。此時，很快就發(fā)現(xiàn)了電子遷移這類的可靠性問題。一旦發(fā)現(xiàn)了問題所在，就會通過實驗來對退化機制進(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(biāo)達(dá)到最佳。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，焦點轉(zhuǎn)移到缺陷的降低上面。而隨著ULSI的引入，由于使用了應(yīng)力硅、銅和低K介電材料等，又開始一輪新周期。

　　隨著引入的化合物材料的增加，可靠性方面的挑戰(zhàn)繼續(xù)加大。這些新挑戰(zhàn)意味著可靠性測試日趨艱難，目前的測試設(shè)備已無法滿足。在現(xiàn)有設(shè)備的能力與尚未滿足的測試需求之間，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(dǎo)體門介質(zhì)材料，來解決超薄門所導(dǎo)致的漏電流增加。隨著一些非常規(guī)的介電材料的引入，例如二氧化鉿，此時眾所周知的偏置溫度不穩(wěn)定(BTI)這類退化機制就變成非常嚴(yán)重的問題。固然，這些新材料可以降低門泄漏，從而降低靜態(tài)工作點，但也導(dǎo)致門限電壓和基帶電壓不穩(wěn)定的問題。

　　除BTI之外，新一代的門堆疊(特別是高K金屬門)顯示時間取決于介質(zhì)擊穿(TDDB)特性，這與傳統(tǒng)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(xiàn)“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(xì)節(jié)，隨著這些材料進(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。這些都要求一類新的測試設(shè)備，這些設(shè)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(yīng)創(chuàng)新的測試序列。 

　　許多退化機制都是由阱電荷導(dǎo)致的結(jié)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(shù)退化量進(jìn)行測量。測量必須在電應(yīng)力去掉后迅速完成，而且應(yīng)力條件還必須在測量完成后盡可能快地恢復(fù)。故絕大多數(shù)的老式儀器都無法滿足這些要求。

　　此外，很明顯，各種晶體管性能增強技術(shù)導(dǎo)致了器件可靠性和電路可靠性方面復(fù)雜的相互作用。例如，用來提高通道遷移率的應(yīng)力硅工藝會惡化BTI性能。進(jìn)一步說，門限電壓的不穩(wěn)定將會導(dǎo)致遷出電流提高，從而導(dǎo)致較高的結(jié)溫。結(jié)溫的升高將會加速介質(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(dǎo)致失效。研發(fā)可靠的模型就需要相應(yīng)的測試儀器，以便能夠捕獲大量的、具備統(tǒng)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晶體管內(nèi)部的工作機制更復(fù)雜，故對其建模來說，大的數(shù)據(jù)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(dǎo)致BTI。結(jié)果，一個具有互補晶體管的電路來傳送時鐘信號時，在一個負(fù)載周期內(nèi)或信號轉(zhuǎn)換周期內(nèi)會產(chǎn)生變化。此外，在不同的退化機制之間也會產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。例如，軟介質(zhì)擊穿通常會導(dǎo)致泄露增加。盡管這不會導(dǎo)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(tǒng)計意義的樣本數(shù)，這意味著征集的數(shù)據(jù)點多達(dá)40000個或更多。

圖1：半導(dǎo)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間。

　　舊式測試設(shè)備存在的問題

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

　　利用一般的傳統(tǒng)測量系統(tǒng)來進(jìn)行可靠性測試將會產(chǎn)生下列問題：
　　1. 低成本單通道系統(tǒng)通常依賴開關(guān)來減少所需的SMU的數(shù)量；這意味著應(yīng)力測量轉(zhuǎn)換很慢。利用多路技術(shù)來連續(xù)監(jiān)控每個測試架構(gòu)也是不可能的。這也就意味著真正的并聯(lián)測試是不可能的；
　　2. 由于較差的定時和響應(yīng)時間通常也無法捕獲重要的瞬變事件，也會導(dǎo)致不好控制馳豫時間；
　　3. 儀器中的處理器可編程和判決能力受到限制。這也意味著像數(shù)據(jù)稀釋之類的更有潛在價值的處理器的利用也是不可能的；
　　4. 許多傳統(tǒng)系統(tǒng)的緩沖容量大約只有5,000；這對于像捕獲一個完整的低K金屬門失效數(shù)據(jù)這類的絕大多數(shù)可靠性測試的需求來說實在太小。
傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的軟件架構(gòu)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)活動的測試程序，包括判決程序。

　　圖3：傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。

　　這類架構(gòu)的一個主要缺點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(biāo)準(zhǔn)的等溫電遷移測試中，為了保證測試架構(gòu)的各個地方的溫度恒定，需要對電流進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。SMU采集電流并測量電阻。然后將GPIB總線上的電阻值報告給中央控制器?？刂破饔嬎銣囟?，然后決定下一個采集的電流。帶有一個新電流值的下一條指令被送到SMU，然后送到GPIB總線上。該過程對于幾百個也許是數(shù)千個數(shù)據(jù)點不斷重復(fù)。通常這種情況要調(diào)用所有的程序，許多情況下總線延遲是一個嚴(yán)重的問題。

　　新一代的測試設(shè)備

　　目前有一種新的測試系統(tǒng)架構(gòu)，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(shè)備中內(nèi)嵌了一個滿32位的測試腳本處理器(TSP)，該處理器運行全功能編程語言。該類智能SMU被用在Keithley2600系列的SourceMeter儀器中。

　　由于具有類似計算機的計算能力，2600系列SourceMeter測試系統(tǒng)中的軟件架構(gòu)有所改變(圖4)。注意現(xiàn)在控制測試程序連同所有的判決的職責(zé)都轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)管理進(jìn)行功能調(diào)用的職責(zé)。

　　圖4：基于智能SMU概念的新型軟件架構(gòu)。

　　具有更復(fù)雜判決的客戶測試程序可以駐留在儀器中。SMU不再需要通過GPIB將數(shù)據(jù)返回到計算機控制程序，而是等待判決和下一個指令。簡言之，總線延遲將不再是一個問題-測試可以以更自動的方式進(jìn)行，而且執(zhí)行速度更快。

　　該儀器的TSP腳本語言基于眾所周知的開放源語言引擎，其在視頻游戲開發(fā)者中間有大量沿用。該腳本語言設(shè)計得簡單，效率高，輕便且嵌入成本低。該語言值得設(shè)計師稱頌的是具有小腳本的快速語言引擎，對于嵌入式系統(tǒng)特別理想。似乎其所有所需的都是為復(fù)雜判決而構(gòu)建的，還有其他豐富的功能-不過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編寫測試腳本，2600系列SourceMeter還是帶有一個方便的腳本構(gòu)建工具-測試腳本生成器。一旦書寫后，腳本可以存儲在2600中的非易失性緩沖器中。從軟件移植的觀點出發(fā)，絕大多數(shù)的用戶測試序列都可以在該儀器中實現(xiàn)。在很多情況下，將一個功能調(diào)用到嵌入式測試腳本中，使用一個單GPIB寫命令，將會生成整個測試序列。

　　一般地，基于2600系統(tǒng)的軟件配置包括兩個主要部分，見圖5。

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

　　1. 一個駐留在計算機中的GUI，用于讀取用戶輸入和顯示數(shù)據(jù)
　　2. 駐留在2600主機中的測試腳本，用來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(zé)現(xiàn)在僅限于進(jìn)行測試參量和選擇方面的功能調(diào)用，還有數(shù)據(jù)顯示和管理。

　　為了適應(yīng)日益增長的處理需求，2600系列還大大增強了數(shù)據(jù)存儲能力。這包括多路非易失性緩沖器，能夠存儲用于每個SMU的大約5萬個測量和時間印記數(shù)據(jù)對。此外，還為每個SMU配備了多路易失性緩沖器。實際上，用戶可以為易失性緩沖器創(chuàng)建和規(guī)定所需的存儲容量。該緩沖器時間印記的分辨率為1微妙，定時精度為百萬分五十。

　　系統(tǒng)架構(gòu)和并行測試

　　為了進(jìn)一步利用增強的處理能力，2600系列還有另一個獨特功能，就是具備“無主機(mainframe-less)”擴展能力。該功能允許多路的SourceMeter利用稱為TSP-Link?的內(nèi)部單元通信總線聯(lián)系到一起，該總線采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜。通過利用這一虛擬架構(gòu)，所有的SMU就像位于同一個大型主機系統(tǒng)中一樣。主機單元占據(jù)一個GPIB地址，它可以通過TSP-Link總線來控制128個SMU。主機單元運行用戶書寫的嵌入式腳本并作為受其控制的所有SMU的判決單元。

　　該功能在滿足特定的測試需求的系統(tǒng)架構(gòu)中提供了空前的靈活度。可以根據(jù)測試的強度，或者根據(jù)需要的并行測試數(shù)量，來設(shè)計系統(tǒng)使其具有適當(dāng)?shù)闹鳈C單元數(shù)量。圖6a中，系統(tǒng)只有一個主機單元，控制16個SMU(每個單元中有兩個SMU)；而在6b中，則有四個主機單元，每一個分別控制四個SMU。由一個主機單元控制一組SMU就是眾所周知的“通道組”技術(shù)。

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

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

　　注意只有要求2600作為主機單元時它才占用一個GPIB地址。圖6b的配置特別適合于每個測試端口需要一個SMU的四端口器件。因為每個通道足有一個控制該通道組內(nèi)所有SMU的主機單元，因此在并行測試時配置非常方便。特別地，測試腳本庫要預(yù)裝載到所有的主機單元中，然后只需對帶有用戶輸入?yún)?shù)的腳本進(jìn)行一次功能調(diào)用就可以運行測試。GUI軟件需要做的所有事情就是通過GPIB寫入線發(fā)送帶有用戶輸入?yún)?shù)的功能調(diào)用。如果在并行測試時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GPIB組觸發(fā)信號，它可以啟動組內(nèi)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)中的各個地方的現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(luò)也有點類似。具有許多“從”端設(shè)備的單獨的中央處理器架構(gòu)已是過時。在2600系列基礎(chǔ)測試系統(tǒng)中也采用了分布式技術(shù)，將運行測試功能和判決的職責(zé)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(shù)高達(dá)10,000個，或者說每秒多達(dá)5,500個源測量點。

　　該力感應(yīng)電路(圖7)帶有力(輸入/輸出)“高(Hi)”/“低(Lo)”和感應(yīng)“高(Hi)”/“低(Lo)引端，對于返回電流允許使用力Lo或感應(yīng)Lo引端。2600系列的力Lo和感應(yīng)Lo與底盤地電氣隔離，故一個單獨的SMU就能執(zhí)行全4線開爾文測量。這是許多測試協(xié)議中的顯著優(yōu)點，如電遷移協(xié)議，因為在每個采樣架構(gòu)中僅需要一個SMU。因為不需要公共地，故對于2600基礎(chǔ)平臺來說，測量多路器件不再是問題。

　　圖7：2600系列的力感應(yīng)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(yīng)于更廣的應(yīng)用，他們可以用作為源或接收器(負(fù)載)。

　　圖8：Keithley2611和2612的四象限工作參數(shù)。

　　更進(jìn)一步，每一個SMU含有兩個A/D變換器，可以同時進(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(tǒng)的規(guī)模進(jìn)行升級，見圖9。

　　圖9：構(gòu)建升級系統(tǒng)非常容易，可以實現(xiàn)高達(dá)896個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(zhuǎn)換時，吞吐率方面最大的收益來自于系統(tǒng)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(nèi)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(shù)字分辨率，判定測試通過與否的測量比較器，以及用來控制其它設(shè)備的I/O接口。

　　所有這些功能把Keithley 2600系列SMU提升到了一個新高度。其嵌入式測試腳本程序增強了靈活性，自動執(zhí)行測試的能力非常強大。用戶可以利用一臺儀器實現(xiàn)很多應(yīng)用，硬件/軟件集成任務(wù)大為簡化。人們能夠容易地為精密DC、脈沖、低頻AC源-測試構(gòu)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(yīng)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。在每個測試點上，模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供小于100?s的電流和電壓的同時測量，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GPIB來運行基于計算機的程序提高了多達(dá)10倍。

　　結(jié)論

　　目前半導(dǎo)體測試又一次面臨新興的測試需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)有系統(tǒng)能夠提供的能力的局面。需要改變測試系統(tǒng)架構(gòu)來成功滿足新的測試需求。Keithley 2600系列代表新一代的智能SMU，其架構(gòu)能夠提供高吞吐率，數(shù)據(jù)完整性，在半導(dǎo)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。