基于 Keithley 4200A-SCS 晶圆级可靠性测试（WLR）

器件复杂度、材料及几何尺寸的不断演进，使单个器件的寿命与可靠性面临前所未有的挑战。曾经可持续 100 年的工艺，如今可能仅剩 10 年寿命，这与产品的实际使用周期几乎相当。更小的误差容限意味着，可靠性必须从器件设计伊始就被严密监控——从研发、工艺集成到生产，每个环节都需持续验证。

为了更高效地评估器件寿命，许多 IC 厂商已从封装器件级测试转向晶圆级可靠性（WLR）测试。该方法能在晶圆阶段直接评估器件性能，避免封装故障带来的时间、材料和资金损失。相较传统方式，WLR 测试大幅缩短了测试周期——晶圆可直接从生产线抽检，无需等待长达数周的封装流程。同时，WLR 与传统器件级测试在方法上具有高度一致性，迁移实施更为便捷。

WLR测试的应力测量技术

应力测量测试是一种通常用于评估半导体器件工作寿命和失效机制的技术。该测试侧重于典型故障率浴盆曲线右侧的故障 ( 图1)，即与制造故障无关的故障。

图1.  典型的半导体可靠性曲线

应力测量测试可以快速生成外推曲线，以预测器件的使用寿命，此类数据用于评估器件设计和监控制造过程。由于典型的设备寿命是以年为单位测量的，因此需要技术来加速测试，最有效的方法是对设备进行过度应力测试，测量运行的关键退化趋势，并将数据外推到整个使用寿命。

以图2为例，曲线的右下方部分（收集的数据）是在高应力条件下生成的数据，这个数据生成一条线，可用于预测正常工作条件下的设备寿命（曲线左上部分）。

图2. HCI测试的寿命可靠性外推

经常使用应力测量技术的WLR测试包括热载流子注入(HCI)[1] 或沟道热载流子 (CHC)、负偏置温度不稳定性(NBT)[2]、电迁移率[3]、时间相关介电击穿 (TDDB)[4] 和电荷击穿 (QBD)[5] 测试。这些测试已成为主流 CMOS器件开发和工艺控制的关键。

WLR测试仪器趋势与要求

现在新器件和材料需要修改这些已建立的测试，并要求仪器功能可以实现这些新技术。

可靠性测试已经发展到适应新设备和材料的需要。虽然HCI仍然是一个重要的可靠性问题，但工程师现在必须关注PMOS的NBTI[6]，高k栅极晶体管的电荷捕获[7]，以及NBTI、TDDB和HCI之间的交叉效应，例如NBTI增强热载流子[8]，TDDB增强NBTI[6]。为了应对这些新现象，测量方法已经从直流应力和测量发展到现在同时使用直流和脉冲应力来研究退化效果。此外，仪器仪表现在包括更全面的器件表征套件，其中包括直流I-V、交流C-V、电荷泵和电荷捕获。总结了一些WLR测试趋势。

表1.  最近的晶圆级可靠性测试趋势

这些不断变化的测试要求工程师找到高效合适的设备和适合工艺开发的仪器。所选择的工具应该采集应力引起的参数退化的所有相关数据，并且能灵活适应非传统的WLR测试，例如应力C-V、NBTI等等。

这个工具还应该是可扩展的，这样就不需要每次出现新的测试问题都去购买一个全新的系统。这个工具应该易于理解，这样工程师就可以把宝贵的时间集中在分析数据上，而不是学习使用测试系统。

在功能方面，一个现代化的可靠性测试台必须提供以下几点：

在不影响准确性和外推寿命的情况下，硬件和软件能加速测试。

控制半自动或自动探针台和温控托盘。

控制仪器、探头、托盘，创建测试、执行测试、管理数据。

可更改应力序列，以应对新材料测试和失效机制。

分析软件，提供易于提取的测试参数和绘图工具。

4200A-SCS和4225-PMU超快脉冲I-V的功能

4200A-SCS 是一款模块化、完全集成的半导体参数分析仪，具备晶圆级可靠性测试能力，支持半导体器件的 DC I-V、脉冲 I-V 和 C-V 表征。系统最多可配置 9 个模块插槽，用于安装源测量单元（SMU）、电容电压单元（CVU）及脉冲测量单元（PMU），并可通过 GPIB、以太网或 RS-232 控制外部仪器（如探针台、LCR 表或开关矩阵）。配套软件集成测试序列管理、数据表格与绘图功能，既适用于交互式研发操作，也支持自动化量产测试。

4225-PMU 是 4200A-SCS 的高速脉冲 I-V 模块，拥有双通道脉冲产生与实时测量功能，可在微秒级精度下表征 NBTI、PBTI 等退化行为，为设计内可靠性（DIR）建模提供支持。

可选配的 4225-RPM 远程放大器/开关可放置于 DUT 附近，减少寄生效应、优化脉冲波形，并实现 SMU、CVU 与脉冲源间的自动切换，无需重新布线。

典型配置包括：主机 4200A-SCS、4 个 SMU、2 个 4225-PMU 与 4 个 4225-RPM，可实现多通道脉冲与 DC 测试。针对前沿硅基器件的超快速 BTI 测试，可选配 4200-BTI-A 工具包（含 4225-PMU、4225-RPM 及 ACS 软件），支持动态测试与晶圆映射，最大限度减少恢复效应影响。

使用Clarius软件进行WLR测试

4200A-SCS系统提供的标配软件Clarius包括一组用于WLR测试的项目。这些项目包括一个具有可配置的测试级和项目级的应力测量循环，以及一个用于在晶圆上每个site上进行测试的循环项目[10]。图3显示了HCI范例项目。该图显示了某一个特定的参数随时间推移而被测试，每个点代表一个应力周期后不同的测量。左边的窗口是测试序列，显示了测试的顺序和项目的整体结构。在Clarius项目库中中有几个用于WLR测试的项目，包括：

■ 热载流子注入 (HCI)

■ 负温度偏置不稳定性 (NBTI)

■ 电迁移了（EM）

■ 电荷击穿 (QBD)

热载流子注入 (HCI) 退化

在现代ULSI电路中，HCI退化是一个相当重要的可靠性问题。电荷载流子在MOSFET通道上被大电场加速时获得动能。虽然大多数载流子到达了漏极，但热载流子 ( 具有非常高动能 ) 由于撞击电离可以在漏极附近产生电子——空穴对，这是原子级别的碰撞。另一些则可以注入栅极通道界面，破坏Si-H键，增加界面陷阱密度。HCI的影响是器件参数的时间相关性退化，如阈值电压（VT），线性和饱和区域的漏极电流（IDLIN和lDSAT）和跨导（Gm） 。

典型的HCI测试程序包括对DUT进行预应力表征，然后是应力和测量循环[11]（图4）。在该循环中，器件在高于正常工作电压的电压下工作。在应力之间监测器件参数，并将这些参数的退化绘制为累计应力对时间的曲线 (图2)。在进行该应力和测量循环之前，相同设备的测量参数作为基准值。

图3. 实时数据显示的HCI测试

图4. HCI/NBTI /EM测试的流程

负温偏不稳定性 (NBTI)

NBTI是PMOS晶体管中存在问题的一种失效模式，随着阈值电压持续下降，新材料被引入栅极以保持设备级性能，但却让NBTI变得更糟。NBTI的退化是通过阈值电压的时间变化来测量的，并与在高温下的负偏置应力下较慢的运行、更多的漏电和更低的驱动电流有关。

NBTI测试通常是一个应力测量序列循环。在应力期间，栅极施加负偏置电压，晶体管的其余端子接地。在两个连续应力之间，在正常工作条件[12]下测量漏极电流。漏极电流或阈值电压的退化被绘制为应力——时间的函数。所有的应力电压和后续的测量都是在高温下进行的（例如，135°C）。NBTI的工艺流程与HCI类似，如表4所示。

由于BTI中的恢复效果，使用4200A-SCS的SMU的可用应力测量特性可能无法对设备退化提供足够的分析。4200A-SCS中的选件 (4200-BTI-A) 提供了超快速激励和测量，以表征BTI在现代半导体器件上的退化和恢复效果。

超快BTI工具包

偏置温度不稳定性（BTI）测试需要兼具高灵敏度与高速采样，以实现精确表征。4200-BTI-A 工具包为此提供了**平衡：其核心 4225-PMU 模块可在去应力后 30 ns 内启动测量，并在 1 μs 内完成晶体管 VT 的 ID-VG 扫描。配套的 4225-RPM 远程放大器/开关模块可在直流 I-V 与超快速 I-V 测量间自动切换，无需重新布线，同时抑制寄生效应并提升低电流灵敏度。
系统配备的超快速 BTI 测试软件与自动化表征套件（ACS）可灵活定义应力条件与测试时序，支持单点 ID、OTF 与 ID-VG 扫描等多种测试模式，并可监测退化与恢复行为，结合 4200A-SCS 的高精度 SMU 测量，实现从纳秒级响应到稳定精度的全流程可靠性分析。

电迁移

电迁移是由电流引起的材料移动现象，是金属化过程中主要的可靠性问题。 等温电迁移试验是对微电子金属化进行的加速电迁移试验。 在等温测试中，需要保持被测线的恒定平均温度。

这个过程通过改变应力电流来实现的。通过改变传递给线路的焦耳热量（基于JESD61A-01标准[13]）em-const-i范例项目如图9所示。子循环 (em) 配置为使用单个设备 ( 金属线 ) 上的电流应力进行。

该项目包括控制托盘温度，在托盘达到指定温度之前，子循环不会运行。在第一次预应力后对器件进行特性测试，再次执行测试之前，在对器件进行指定时间的电流应力。循环完成后，最后一步冷却托盘。

图9. em-const-i项目中包含的电迁移测试

击穿电荷 (QBD)

QBD项目包括ramp-v测试和ramp-i测试。这些测试遵循薄电介质晶圆级测试的JESD35-A标准程序[14]。本项目（图11）不使用子循环。

■ ramp-v：电压斜坡试验。该测试用电容器或栅极氧化物上倾斜电压应力来表征低电场下电介质的缺陷。

■ ramp-j：电流密度斜坡测试。该测试用电容器或栅极氧化物上的倾斜电流应力来表征高电场下电介质的缺陷。

该测试还能够实现有界的“I-Ramp”测试，前提是将电流设置为斜坡上升到指定水平，然后保持直到击穿。有界的“I-Ramp”测试提供了可重复的电荷击穿(QBD) 测量。

图11. QBD项目中包含的QBD测试

结论

不断发展的设计尺度和新材料使得可靠性测试比以往任何时候都更加重要，这也推动了对可靠性测试和建模的需求进一步向上游发展，特别是在研发过程中。仪器制造商正在使用更快、更敏感、高度灵活的新型可靠性测试工具来应对，以帮助降低测试成本并缩短上市时间。Keithley的4200A-SCS参数分析仪和工具包提供了快速测试所需的硬件和软件以及完整的器件特性和可靠性测试。