減少HCI和電遷移的測(cè)試時(shí)間

許多可靠性“磨損”測(cè)試監(jiān)測(cè)的是一個(gè)性能參數(shù)，該參數(shù)隨著對(duì)數(shù)變化的時(shí)間長(zhǎng)度而穩(wěn)步下降。在大多數(shù)情況下，會(huì)測(cè)量到10%的退化時(shí)間。10%的退化時(shí)間是一個(gè)基準(zhǔn)，因?yàn)樵S多器件在比半導(dǎo)體器件的性能高10%的速度或電壓下進(jìn)行測(cè)試。例如，DRAM可能會(huì)在45ns的工作時(shí)間內(nèi)被測(cè)試，并且能完全正常工作，但隨后以較慢的50ns的性能出售。這種“guard-banding" 允許關(guān)鍵性能參數(shù)漂移高達(dá)10%，且設(shè)備不會(huì)超出其指定性能。可靠性測(cè)試必須證明設(shè)備在預(yù)期產(chǎn)品壽命 ( 通常為10年或20年 ) 內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)超過(guò)10%的關(guān)鍵性能參數(shù)漂移。

加速應(yīng)力值可以在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到10%的退化時(shí)間。然而，需要對(duì)失效機(jī)制有很好的了解，才能外推出在特定條件下達(dá)到10%的退化時(shí)間。在大多數(shù)情況下，需要在幾種不同的應(yīng)力條件下進(jìn)行測(cè)試，以提取應(yīng)力條件和退化速率之間的關(guān)系。在使用最低應(yīng)力條件下，增加了測(cè)試成本，在有限的測(cè)試時(shí)間范圍內(nèi)提取需要的參數(shù)。

最大應(yīng)力條件通常受到寄生參數(shù)的限制，例如焦耳加熱或源極-漏極擊穿電壓。此外競(jìng)爭(zhēng)失效機(jī)制可以在更高的應(yīng)力條件下導(dǎo)致測(cè)試失效機(jī)制的變化 ( 例如：對(duì)于電遷移測(cè)試，在更高溫度下從晶界擴(kuò)散到體擴(kuò)散的變化 ) 。這限制了可應(yīng)用于最高應(yīng)力條件的加速度。

在了解本期測(cè)試技術(shù)細(xì)節(jié)前，我們先來(lái)回顧一下今年關(guān)于晶圓可靠性測(cè)試的云上大講堂

另一種技術(shù)是測(cè)量在真實(shí)使用條件下達(dá)到較小退化百分比的時(shí)間。一般退化速率在對(duì)數(shù)時(shí)域中通常是線性的，可以在更短的測(cè)試時(shí)間內(nèi)測(cè)量到退化較小百分比的變化。在這種測(cè)試條件下 “真實(shí)條件” 壓力水平的使用將只會(huì)在一種壓力條件下進(jìn)行測(cè)試，并不需要理解壓力與時(shí)間關(guān)系。此外，不會(huì)擔(dān)心較高的應(yīng)力條件會(huì)改變退化速率。然而使用這種技術(shù)將需要非常低的儀器噪聲水平和非常短的時(shí)間分辨率。

考慮圖1中所示的退化速率。在“真實(shí)條件應(yīng)力” 下的晶體管被發(fā)現(xiàn)以每年10%年的速度退化。有了這個(gè)斜率，十年內(nèi)退化率低于10%的要求意味著設(shè)備在一年內(nèi)的退化率必須低于9%。這可以擴(kuò)展到在1/10年或36.5天內(nèi)需要低于8%的退化。此外，它必須在 3.65天內(nèi)表現(xiàn)出小于7%的退化，在0.365天或8.76小時(shí)內(nèi)表現(xiàn)出低于6%的退化。如果測(cè)試持續(xù)時(shí)間為 8.76 小時(shí)，則必須在40年內(nèi)外推結(jié)果。為了使這種外推具有意義，我們必須能夠顯示在至少四個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)間內(nèi)積累的數(shù)據(jù)。這意味著最小時(shí)間分辨率必須為3.15秒。在3.15秒時(shí)，我們預(yù)計(jì)只能測(cè)量到2%的退化。準(zhǔn)確測(cè)量該值需要小于0.2%的測(cè)量噪聲。

所有這些聽(tīng)起來(lái)都很有可能。然而，這些要求顯然是退化速率的函數(shù)。圖1顯示了幾種不同的退化率，所有這些都導(dǎo)致了十年內(nèi)10%的退化。表1顯示了在8.76小時(shí)的應(yīng)力下測(cè)量和外推這些結(jié)果的最小時(shí)間和最小儀器分辨率。

表1：更高退化率所需的較低儀器噪聲

表1清楚地表明，退化速率越陡，在固定的測(cè)試持續(xù)時(shí)間內(nèi)測(cè)量退化所需的儀器噪聲就越低。從另一個(gè)角度來(lái)看，如果給定儀器噪聲，則可以使用這些數(shù)據(jù)來(lái)確定最短測(cè)試時(shí)間。

圖1. HCI退化=10%/10年

最小時(shí)間點(diǎn)可以從圖1中的任何曲線中提取 , 方法是在圖上畫(huà)一條線來(lái)表示10倍的儀器噪音。該線與曲線相交的點(diǎn)表示儀表噪聲可被視為輕微影響的最短時(shí)間。例如，在圖1中，噪聲水平為0.01%的儀器將具有0.1%的10倍噪聲值。在圖上畫(huà)一條0.1%的線，很明顯，低的斜率（10%和 20%/十年）的最小應(yīng)力時(shí)間可能非常短。然而，對(duì)于200%十年（每十年翻一番），最短時(shí)間必須是大約20秒。對(duì)于500%的退化斜率，最小應(yīng)力時(shí)間必須為約30000秒或8.3小時(shí)。在這一點(diǎn)上，一個(gè)無(wú)法在十年內(nèi)達(dá)到10%目標(biāo)設(shè)備將顯示出10倍的測(cè)量噪聲。能夠很好地預(yù)測(cè)十年退化的總測(cè)試時(shí)間必須比這些值長(zhǎng)得多。

對(duì)于200%/退化斜率，在可以測(cè)量退化的第一個(gè)精確測(cè)量值的點(diǎn)和十年點(diǎn)（3.15億秒）之間大約有七個(gè)數(shù)量級(jí)。這個(gè)差值的一半是3.5個(gè)數(shù)量級(jí)，即最小值的3162倍。這將提供63240秒或17.5小時(shí)的最短測(cè)試時(shí)間。這將允許在3.5個(gè)數(shù)量級(jí)上精確測(cè)量退化，并3.5個(gè)量級(jí)上外推斜率。

對(duì)于500%/退化斜率，退化第一次精確測(cè)量將在 30000秒時(shí)發(fā)生。從第一個(gè)點(diǎn)到十年點(diǎn)之間只有四個(gè)數(shù)量級(jí)的時(shí)間。然后，外推必須只覆蓋兩個(gè)數(shù)量級(jí)，以實(shí)現(xiàn)在不超過(guò)測(cè)量范圍的距離上進(jìn)行外推的目標(biāo)。這需要大約三百萬(wàn)秒或 35 天的總測(cè)量時(shí)間。

較低的儀器噪聲裕度是非常有價(jià)值的。如果測(cè)量噪聲可以從0.01%下降到0.003%，則測(cè)試持續(xù)時(shí)間可以從35天減少到大約16天。顯然，儀器噪聲、測(cè)試持續(xù)時(shí)間和應(yīng)用程序壽命之間存在關(guān)系。最短測(cè)試持續(xù)時(shí)間為 :

其中 :

公式1.0僅在測(cè)試開(kāi)始后才有用。在測(cè)試開(kāi)始之前，無(wú)法知道tnoise的值。該值只能在每個(gè)設(shè)備的測(cè)試過(guò)程中測(cè)量。測(cè)試順序必須為 :

■1. 在測(cè)試開(kāi)始前，通過(guò)對(duì)性能參數(shù)進(jìn)行多次測(cè)量來(lái)測(cè)量?jī)x器噪聲。噪聲定義為單個(gè)測(cè)量值與測(cè)量值平均值之間的差的平方和除以測(cè)量次數(shù)的平方根。

■2. 開(kāi)始應(yīng)力并監(jiān)測(cè)參數(shù)直到監(jiān)測(cè)參數(shù)中的測(cè)量漂移大于測(cè)量噪聲的十倍。

■3. 一旦晶體管偏移量大于10倍的測(cè)量噪聲 我們將測(cè)量引起這種參數(shù)偏移所需的時(shí)間。這個(gè)“時(shí)間到10倍噪聲 " 將允許我們根據(jù)等式1.0計(jì)算總測(cè)試時(shí)間。該值將是“十倍噪聲點(diǎn)” 與預(yù)期應(yīng)用壽命之間距離的一半。這將確保漂移不會(huì)在比數(shù)據(jù)范圍更長(zhǎng)的范圍內(nèi)外推。

■4. 繼續(xù)監(jiān)測(cè)樣品中的漂移，直到超過(guò)計(jì)算的測(cè)試時(shí)間。該點(diǎn)之后的所有點(diǎn)的測(cè)量噪聲將小于測(cè)量的10%。

■5. 根據(jù)參數(shù)變化百分比對(duì)數(shù)與時(shí)間對(duì)數(shù)的最小二乘擬合將時(shí)間外推至10%漂移，在測(cè)量漂移超過(guò)10倍時(shí)間之間測(cè)量噪聲和測(cè)試的最大持續(xù)時(shí)間。

許多NMOS FET將在短應(yīng)力時(shí)間內(nèi)顯示出某些測(cè)量的性能參數(shù)的改善。這使得“真實(shí)條件”技術(shù)的使用變得復(fù)雜。界面空穴陷阱實(shí)際上可以增加低柵極場(chǎng)下的溝道遷移率并且在應(yīng)力的最初幾秒期間VT的小幅度降低和增加Idlin或Idsat 。

為了計(jì)算這種影響，建議測(cè)量參數(shù)的最大值（或最小值）并從該拐點(diǎn)而不是從原始（時(shí)間零點(diǎn)）計(jì)算參數(shù)的變化。

示例 1

Idlin在兩次測(cè)量之間沒(méi)有應(yīng)力的情況下，對(duì)晶體管的進(jìn)行了十次測(cè)量。記錄值為：10.020、10.013、9.990、10.015、10.003、9.985、9.997、10.010、9.990和10.010毫 安。對(duì) 于10mA的平均Idlin這給出了與該晶體管的Idlin測(cè)量相關(guān)聯(lián)的0.1%的測(cè)量噪聲。熱載流子應(yīng)力開(kāi)始于柵極電壓為2.3V，漏極電壓為 3.7V。以大約3秒、10秒、30秒和100秒的對(duì)數(shù)時(shí)間間隔測(cè)量。這些第一個(gè)讀數(shù)點(diǎn)顯示的Idlin為10.101mA、10.000mA、9.9mA和9.8mA。該產(chǎn)品的使用壽命為一年。這種壓力的最短持續(xù)時(shí)間是多少 ?

答：測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，在3秒時(shí)的最大Idlin值為 10.101mA。噪聲測(cè)量值為 0.1%，因此從測(cè)量值中減去10倍的噪聲將是10.101最大測(cè)量值的1%。10秒時(shí)的測(cè)量值正好比峰值低1%。因此，tnoise是10秒。現(xiàn)在根據(jù)公式1.0計(jì)算最小試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。

繼續(xù)測(cè)試趨勢(shì)開(kāi)始，測(cè)量點(diǎn)為300秒、1000秒，需要3000 秒、10000秒、30000秒和56156秒。如果測(cè)量結(jié)果與第一次測(cè)量中觀察到的0.2%/decade變化一致，則讀數(shù)的記錄值為9.7、9.6、9.5、9.4、9.31和9.25mA，用最小二乘法擬合，該數(shù)據(jù)在十年應(yīng)力后的Idlin約8.4mA。這將超過(guò)十年內(nèi)10%的目標(biāo)，該設(shè)備將無(wú)法通過(guò)測(cè)試。

自試驗(yàn)不是在加速應(yīng)力條件下進(jìn)行的，不會(huì)討論外推模型或異常失效機(jī)制。該設(shè)備在 “真實(shí)條件” 下進(jìn)行壓力測(cè)試的。外推中使用的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都至少是測(cè)量噪聲的十倍，這樣時(shí)間外推才是清楚的（圖2）。由于數(shù)據(jù)不是在大于有效數(shù)據(jù)范圍的范圍內(nèi)外推的，因此只要最小二乘擬合良好，時(shí)間外推的風(fēng)險(xiǎn)就很低。

圖2. HCI的時(shí)間外推

應(yīng)該非常清楚的是，使用這種技術(shù)需要低的測(cè)量噪聲。如果測(cè)量噪聲約為測(cè)量值的1%，則沒(méi)有時(shí)間與該技術(shù)相關(guān)的節(jié)約。10倍噪聲的時(shí)間將是10%退化的時(shí)間，因此無(wú)需外推測(cè)量值，也無(wú)需節(jié)省時(shí)間。

雖然上面的大多數(shù)討論都涉及熱載流子壽命外推在使用條件應(yīng)力的情況下，可以使用相同的技術(shù)來(lái)最大限度地減少加速試驗(yàn)的時(shí)間電遷移測(cè)試。再一次預(yù)計(jì)該設(shè)備在對(duì)數(shù)時(shí)域中表現(xiàn)出線性退化。圖3顯示了金屬線的電阻隨時(shí)間的變化進(jìn)行等溫電遷移測(cè)試（JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD61）。

圖3. 等溫線電阻

圖3再次顯示了金屬線電阻最初作為時(shí)間的函數(shù)而下降。這是由于線在高應(yīng)力溫度下的退火效應(yīng)（晶粒生長(zhǎng)、沉淀吸收等）。電阻在三秒讀取點(diǎn)達(dá)到最小值，然后由于電遷移而開(kāi)始增加。

本例中的儀器（圖3）的測(cè)量噪聲為0.05%。該噪聲的10倍為0.5%。數(shù)據(jù)顯示，在5.2秒的讀取點(diǎn)上，測(cè)得的電阻變化高于最小值0.5%。該讀取點(diǎn)發(fā)生在記錄最小電阻2.2秒之后。在這一點(diǎn)之后的所有測(cè)量都應(yīng)該顯示測(cè)量噪聲包括小于測(cè)量的退化的10%。然后在超過(guò)該最小測(cè)量點(diǎn)的時(shí)間上繼續(xù)測(cè)試一個(gè)數(shù)量級(jí)。測(cè)量信號(hào)的時(shí)間數(shù)量級(jí)是測(cè)量噪聲應(yīng)該允許在該應(yīng)力水平下精確地外推到10%的退化時(shí)間。對(duì)于這個(gè)例子，測(cè)試在22秒后終止。如果測(cè)試一直持續(xù)到可以測(cè)量到10%的退化時(shí)間，測(cè)試將花費(fèi)51秒。因此，該技術(shù)能夠?qū)⒖倻y(cè)試時(shí)間減少2.3倍以上。這對(duì)于快速過(guò)程控制測(cè)試非常重要。

審核編輯：劉清