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硅片级可靠性测试详解

发布时间:2020-07-01 00:06:48 阅读: 来源:排污阀厂家

引言

硅片级可靠性(WLR)测试最早是为了实现内建(BIR)可靠性而提出的一种测试手段。硅片级可靠性测试的最本质的特征就是它的快速,因此,近年来它被越来越多得用于工艺开发阶段。工艺工程师在调节了工艺后,可以马上利用WLR测试的反馈结果,实时地了解工艺调节后对可靠性的影响。这样就把可靠性测试糅合和工艺开发的整个过程当中。如今,工艺更新换代非常快,所以,WLR就成为了一种非常有效的快速方法使工艺开发的进程大大加快。同时,各个公司在工艺开发后都会发行一个针对WLR的技术报告,这也为业界广泛接受。JEDEC也为此专门制定了一个标准,而且不定时的更新其内容。

WLR要测试的项目主要有以下几大类:①互连线可靠性(电迁移);②氧化膜可靠性;③热载流子及NBTI;④等离子损伤(天线效应)等。用于工艺开发的WLR流程主要如下。

首先,制定一个WLR计划,包括对测试样品的要求(样品数、测试面积、Lot数等),一些设计规则和所有达到的规范。比如说电迁移中,要给出最大设计电流,器件使用温度等,评价氧化膜的可靠性时,如果是用斜坡电压法则要求测试面积大于10cm2,缺陷密度不能大于一定的值(D0);如果是用恒定电压法,则要给出加在栅极上的电压分别有多大等等。在评价热载流子效应时,一般要求热载流子中直流寿命大于0.2年等。下面详细介绍一下各个项目。

互连线可靠性(电迁移)

电迁移(EM)是微电子器件中主要的失效机理之一,电迁移造成金属化的开路和短路,使器件漏电流增加。在器件向亚微米、深亚微米发展后,金属化的宽度不断减小,电流密度不断增加,更易于因电迁移而失效。因此,随着工艺的进步,EM的评价备受重视。

导致电迁移的直接原因是金属原子的移动。当互连引线中通过大电流时,静电场力驱动电子由阴极向阳极运动,高速运动的电子与金属原子发生能量交换,原子受到猛烈的电子冲击力,这就是所谓的电子风力。但是,事实上金属原子同时还受到反方向的静电场力。当互连线中的电流密度较高时,向阳极运动的大量电子碰撞原子,使得金属原子受到的电子风力大于静电场力。因此,金属原子受到电子风力的驱动,使其从阴极向阳极定向扩散,从而发生电迁移。

传统的评价电迁移的方法是封装法。对样品进行封装后,置于高温炉中,并在样品中通过一定电流,监控样品电阻的变化。当样品的电阻变化到一定比例后,就认为其发生电迁移而失效,这期间经过的时间就为在该加速条件下的电迁移寿命。但是封装法的缺点是显而易见的,首先封装就要花费很长的时间,同时,用这种方法时通过金属线的电流非常小,测试非常花费时间,一般要好几周。因为在用封装法时,炉子的温度被默认为就是金属线温度,如果有很大的电流通过金属线会使其产生很大的焦耳热,使金属线自身的温度高于炉子的温度,而不能确定金属线温度。

所以,后来发展了自加热法(ISO-thermal)。该方法不用封装,可以真正在硅片级测试。它是利用了金属线自身的焦耳热使其升高。然后用电阻温度系数(temperature coefficient of resistance,TCR)确定金属线的温度。在实际操作中,可以调节通过金属线的电流来调节它的温度。实际应用表明,这种方法对于金属线的电迁移评价非常有效,但是对于通孔的电迁移评价,该方法就不适用了。因为,过大的电流会导致通孔和金属线界面出的温度特别高,从而还将无法确定整个通孔电迁移测试结构的温度。针对这种情况,又有研究者提出了一种新的测试结构——多晶硅加热法。这种方法是利用多晶硅作为电阻,通过一定电流后产生热量,利用该热量对电迁移测试结构进行加热。此时,多晶硅就相当于一个炉子。该方法需要注意的是在版图设计上的要求比较高,比如多晶硅的宽度,多晶硅上通孔的数目等都是会影响其加热性能的。

以上三种方法得到的都是加速测试条件下的电迁移寿命,我们需要的是在使用条件和设计规则电流下的电迁移寿命,利用Black方程来推得我们想要的电迁移寿命。 氧化膜可靠性

集成电路以高速化和高性能化为目标,实现着进一步的微细结构。随着微细结构在工业上的实现, 降低成本和提高集成度成为可能。另一方面,随着MOS 集成电路的微细化,栅氧化层向薄栅方向发展,而电源电压却不宜降低,栅氧化层工作在较高的电场强度下,从而使栅氧化层的抗电性能成为一个突出的问题。栅极氧化膜抗电性能不好将引起MOS器件电参数不稳定,进一步可引起栅氧的击穿。栅氧击穿作为MOS 电路的主要失效模式已成为目前国际上关注的热点。

评价氧化膜可靠性的结构一般都是MOS电容,评价氧化膜不同位置的特性,需要设计不同的结构,主要有三种结构:大面积MOS电容,多晶硅梳状电容,有源区梳状电容等。评价氧

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