晶圆级可靠性测试:器件开发的关键步骤（二）

可靠性测试仪器的发展趋势

　　就像前文所指出的那样，可靠性测试需要与新器件的设计和新材料的使用密切关联。尽管HCI测试仍然是可靠性测试中非常重要的一环，但工程师们越来越关注于PMOS的NBTI测试;高k栅极晶体管的电荷俘获现象;以及NBTI、TDDB和HCI的叠加效应，例如NBTI增强的热载流子和TDDB增强的NBTI等。为了面对这些新挑战，测试方法已经从DC应力激励和DC、脉冲应力同时作用转向性能退化中的松弛现象研究。更进一步，当前的测试仪器包含有更全面的参数用以表征器件性能，其中包括DC I-V、C-V、电荷抽取和电荷俘获（图8）。

　　这些不断改进的测试要求推动工程师们不断寻找合适的测试工具，这样才能满足高效开发器件和工艺的要求。理想的测试工具需要足够敏感，可以捕获所有由应力引起的性能退化的细节，也要具有足够的灵活性，可以适用于例如应力C-V测试、电荷抽取等非传统的WLR测试。还要求测试工具具有良好的可扩展性，这样在每次采用新的测试方案时不需要再购进一套新测试系统。最后，测试工具还要易于使用，这样工程师们可以将宝贵的精力放在数据分析而不是仪器的操作上。

　　为了满足上述要求，一**代可靠性测试系统应该具有以下特征：

　　◆ 可以满足加速测试，并不用在精度和外推器件寿命应用上过于折中的硬件和软件系统

　　◆ 带有热卡盘的半自动或全自动探针

　　◆ 低漏电的操纵装置或平行探针卡

　　◆ 控制仪器、探针、卡盘的驱动设备，可以进行测试初始化、展开测试和管理数据

　　◆ 可以在不同使用者的测试条件、新材料和不同失效机制间转换的灵活性

　　◆ 可以方便提取最终器件寿命并在短期加速测试中预测器件寿命的软件系统

　　不断提高的测试规模和新材料的应用使得WLR测试比以往更为困难。这些也促进了可靠性测试和建模向上游工艺的发展——这一点在工艺的研发领域体现得更为显著。仪器制造商正致力于使测试工具更快、更敏感、具有更高的灵活性来满足降低测试成本缩短上市时间的要求。

　　传统热载流子注入测试和负偏压温度不稳定性测试

　　热载流子注入（HCI）

　　热载流子注入（HCI）在过去几代CMOS中一直是最重要的可靠性测试方法之一。这一过程机制如下：在MOSFET中，很高的侧向电场产生热载流子（高能电子或空穴），这些热载流子会损坏MOS栅氧化层界面并导致器件I-V性能退化。由于沟道内的侧向电场是栅极电压（Vg）除以沟道长度，因此当沟道长度缩短时这种情况更加退化。由于沟道长度的缩减比例比Vg的缩减比例要高，增加的侧向电场会产生更高能量的热载流子，导致对栅氧化层的损坏更强烈。这种损坏是由载流子加速后的高动能造成的，并在粒子冲击过程中产生电子/空穴对。可以看到器件的IDS（图）、跨导和阈值电压（Vt）都发生了退化 。退化首先降低器件的运行速度，最终器件会完全无法正常工作而失效。HCI测试是在加载电流应力条件下，检查MOSFET晶体管性能退化的速度。通常在应力条件下测试，这样做是为了加速器件的性能退化再外推出器件在正常使用情况下的实际寿命（正文中的图2）。

　　负偏压温度不稳定性（NBTI）

　　负偏压温度不稳定性（NBTI）是在PMOS晶体管的一种失效模式，并且随着晶体管栅极工作电压的不断降低，这一问题更为严重。NBTI退化的测量依据是阈值电压随着时间的偏移，与这种偏移相联系的后果是运行速度变慢、漏电更多以及高温负偏压下驱动电流降低。NBTI测试通常是顺序加载应力的过程。在某应力条件下，加载负的栅极偏压，晶体管的其他极接地。在两个连续应力之间，使用正常的工作条件测漏极电流（Id）。将Id或者Vt的退化为应力加载时间的函数作图。所有的应力偏压和测量都是在高温（例如，135℃）下完成。