器件復雜度、材料及幾何尺寸的不斷演進，使單個器件的壽命與可靠性面臨前所未有的挑戰。曾經可持續 100 年的工藝，如今可能僅剩 10 年壽命，這與產品的實際使用周期幾乎相當。更小的誤差容限意味著，可靠性必須從器件設計伊始就被嚴密監控——從研發、工藝集成到生產，每個環節都需持續驗證。

為了更高效地評估器件壽命，許多 IC 廠商已從封裝器件級測試轉向晶圓級可靠性（WLR）測試。該方法能在晶圓階段直接評估器件性能，避免封裝故障帶來的時間、材料和資金損失。相較傳統方式，WLR 測試大幅縮短了測試周期——晶圓可直接從生產線抽檢，無需等待長達數周的封裝流程。同時，WLR 與傳統器件級測試在方法上具有高度一致性，遷移實施更為便捷。

WLR測試的應力測量技術

應力測量測試是一種通常用于評估半導體器件工作壽命和失效機制的技術。該測試側重于典型故障率浴盆曲線右側的故障 ( 圖1)，即與制造故障無關的故障。

圖1.  典型的半導體可靠性曲線

應力測量測試可以快速生成外推曲線，以預測器件的使用壽命，此類數據用于評估器件設計和監控制造過程。由于典型的設備壽命是以年為單位測量的，因此需要技術來加速測試，最有效的方法是對設備進行過度應力測試，測量運行的關鍵退化趨勢，并將數據外推到整個使用壽命。

以圖2為例，曲線的右下方部分（收集的數據）是在高應力條件下生成的數據，這個數據生成一條線，可用于預測正常工作條件下的設備壽命（曲線左上部分）。

圖2. HCI測試的壽命可靠性外推

經常使用應力測量技術的WLR測試包括熱載流子注入(HCI)[1] 或溝道熱載流子 (CHC)、負偏置溫度不穩定性(NBT)[2]、電遷移率[3]、時間相關介電擊穿 (TDDB)[4] 和電荷擊穿 (QBD)[5] 測試。這些測試已成為主流 CMOS器件開發和工藝控制的關鍵。

WLR測試儀器趨勢與要求

現在新器件和材料需要修改這些已建立的測試，并要求儀器功能可以實現這些新技術。

可靠性測試已經發展到適應新設備和材料的需要。雖然HCI仍然是一個重要的可靠性問題，但工程師現在必須關注PMOS的NBTI[6]，高k柵極晶體管的電荷捕獲[7]，以及NBTI、TDDB和HCI之間的交叉效應，例如NBTI增強熱載流子[8]，TDDB增強NBTI[6]。為了應對這些新現象，測量方法已經從直流應力和測量發展到現在同時使用直流和脈沖應力來研究退化效果。此外，儀器儀表現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、電荷泵和電荷捕獲。總結了一些WLR測試趨勢。

表1.  最近的晶圓級可靠性測試趨勢

這些不斷變化的測試要求工程師找到高效合適的設備和適合工藝開發的儀器。所選擇的工具應該采集應力引起的參數退化的所有相關數據，并且能靈活適應非傳統的WLR測試，例如應力C-V、NBTI等等。

這個工具還應該是可擴展的，這樣就不需要每次出現新的測試問題都去購買一個全新的系統。這個工具應該易于理解，這樣工程師就可以把寶貴的時間集中在分析數據上，而不是學習使用測試系統。

在功能方面，一個現代化的可靠性測試臺必須提供以下幾點：

在不影響準確性和外推壽命的情況下，硬件和軟件能加速測試。

控制半自動或自動探針臺和溫控托盤。

控制儀器、探頭、托盤，創建測試、執行測試、管理數據。

可更改應力序列，以應對新材料測試和失效機制。

分析軟件，提供易于提取的測試參數和繪圖工具。

4200A-SCS和4225-PMU超快脈沖I-V的功能

4200A-SCS 是一款模塊化、完全集成的半導體參數分析儀，具備晶圓級可靠性測試能力，支持半導體器件的 DC I-V、脈沖 I-V 和 C-V 表征。系統最多可配置 9 個模塊插槽，用于安裝源測量單元（SMU）、電容電壓單元（CVU）及脈沖測量單元（PMU），并可通過 GPIB、以太網或 RS-232 控制外部儀器（如探針臺、LCR 表或開關矩陣）。配套軟件集成測試序列管理、數據表格與繪圖功能，既適用于交互式研發操作，也支持自動化量產測試。

4225-PMU 是 4200A-SCS 的高速脈沖 I-V 模塊，擁有雙通道脈沖產生與實時測量功能，可在微秒級精度下表征 NBTI、PBTI 等退化行為，為設計內可靠性（DIR）建模提供支持。

可選配的 4225-RPM 遠程放大器/開關可放置于 DUT 附近，減少寄生效應、優化脈沖波形，并實現 SMU、CVU 與脈沖源間的自動切換，無需重新布線。

典型配置包括：主機 4200A-SCS、4 個 SMU、2 個 4225-PMU 與 4 個 4225-RPM，可實現多通道脈沖與 DC 測試。針對前沿硅基器件的超快速 BTI 測試，可選配 4200-BTI-A 工具包（含 4225-PMU、4225-RPM 及 ACS 軟件），支持動態測試與晶圓映射，最大限度減少恢復效應影響。

使用Clarius軟件進行WLR測試

4200A-SCS系統提供的標配軟件Clarius包括一組用于WLR測試的項目。這些項目包括一個具有可配置的測試級和項目級的應力測量循環，以及一個用于在晶圓上每個site上進行測試的循環項目[10]。圖3顯示了HCI范例項目。該圖顯示了某一個特定的參數隨時間推移而被測試，每個點代表一個應力周期后不同的測量。左邊的窗口是測試序列，顯示了測試的順序和項目的整體結構。在Clarius項目庫中中有幾個用于WLR測試的項目，包括：

■ 熱載流子注入 (HCI)

■ 負溫度偏置不穩定性 (NBTI)

■ 電遷移了（EM）

■ 電荷擊穿 (QBD)

熱載流子注入 (HCI) 退化

在現代ULSI電路中，HCI退化是一個相當重要的可靠性問題。電荷載流子在MOSFET通道上被大電場加速時獲得動能。雖然大多數載流子到達了漏極，但熱載流子 ( 具有非常高動能 ) 由于撞擊電離可以在漏極附近產生電子——空穴對，這是原子級別的碰撞。另一些則可以注入柵極通道界面，破壞Si-H鍵，增加界面陷阱密度。HCI的影響是器件參數的時間相關性退化，如閾值電壓（VT），線性和飽和區域的漏極電流（IDLIN和lDSAT）和跨導（Gm） 。

典型的HCI測試程序包括對DUT進行預應力表征，然后是應力和測量循環[11]（圖4）。在該循環中，器件在高于正常工作電壓的電壓下工作。在應力之間監測器件參數，并將這些參數的退化繪制為累計應力對時間的曲線 (圖2)。在進行該應力和測量循環之前，相同設備的測量參數作為基準值。

圖3. 實時數據顯示的HCI測試

圖4. HCI/NBTI /EM測試的流程

負溫偏不穩定性 (NBTI)

NBTI是PMOS晶體管中存在問題的一種失效模式，隨著閾值電壓持續下降，新材料被引入柵極以保持設備級性能，但卻讓NBTI變得更糟。NBTI的退化是通過閾值電壓的時間變化來測量的，并與在高溫下的負偏置應力下較慢的運行、更多的漏電和更低的驅動電流有關。

NBTI測試通常是一個應力測量序列循環。在應力期間，柵極施加負偏置電壓，晶體管的其余端子接地。在兩個連續應力之間，在正常工作條件[12]下測量漏極電流。漏極電流或閾值電壓的退化被繪制為應力——時間的函數。所有的應力電壓和后續的測量都是在高溫下進行的（例如，135°C）。NBTI的工藝流程與HCI類似，如表4所示。

由于BTI中的恢復效果，使用4200A-SCS的SMU的可用應力測量特性可能無法對設備退化提供足夠的分析。4200A-SCS中的選件 (4200-BTI-A) 提供了超快速激勵和測量，以表征BTI在現代半導體器件上的退化和恢復效果。

超快BTI工具包

偏置溫度不穩定性（BTI）測試需要兼具高靈敏度與高速采樣，以實現精確表征。4200-BTI-A 工具包為此提供了**平衡：其核心 4225-PMU 模塊可在去應力后 30 ns 內啟動測量，并在 1 μs 內完成晶體管 VT 的 ID-VG 掃描。配套的 4225-RPM 遠程放大器/開關模塊可在直流 I-V 與超快速 I-V 測量間自動切換，無需重新布線，同時抑制寄生效應并提升低電流靈敏度。
系統配備的超快速 BTI 測試軟件與自動化表征套件（ACS）可靈活定義應力條件與測試時序，支持單點 ID、OTF 與 ID-VG 掃描等多種測試模式，并可監測退化與恢復行為，結合 4200A-SCS 的高精度 SMU 測量，實現從納秒級響應到穩定精度的全流程可靠性分析。

電遷移

電遷移是由電流引起的材料移動現象，是金屬化過程中主要的可靠性問題。 等溫電遷移試驗是對微電子金屬化進行的加速電遷移試驗。 在等溫測試中，需要保持被測線的恒定平均溫度。

這個過程通過改變應力電流來實現的。通過改變傳遞給線路的焦耳熱量（基于JESD61A-01標準[13]）em-const-i范例項目如圖9所示。子循環 (em) 配置為使用單個設備 ( 金屬線 ) 上的電流應力進行。

該項目包括控制托盤溫度，在托盤達到指定溫度之前，子循環不會運行。在第一次預應力后對器件進行特性測試，再次執行測試之前，在對器件進行指定時間的電流應力。循環完成后，最后一步冷卻托盤。

圖9. em-const-i項目中包含的電遷移測試

擊穿電荷 (QBD)

QBD項目包括ramp-v測試和ramp-i測試。這些測試遵循薄電介質晶圓級測試的JESD35-A標準程序[14]。本項目（圖11）不使用子循環。

■ ramp-v：電壓斜坡試驗。該測試用電容器或柵極氧化物上傾斜電壓應力來表征低電場下電介質的缺陷。

■ ramp-j：電流密度斜坡測試。該測試用電容器或柵極氧化物上的傾斜電流應力來表征高電場下電介質的缺陷。

該測試還能夠實現有界的“I-Ramp”測試，前提是將電流設置為斜坡上升到指定水平，然后保持直到擊穿。有界的“I-Ramp”測試提供了可重復的電荷擊穿(QBD) 測量。

圖11. QBD項目中包含的QBD測試

結論

不斷發展的設計尺度和新材料使得可靠性測試比以往任何時候都更加重要，這也推動了對可靠性測試和建模的需求進一步向上游發展，特別是在研發過程中。儀器制造商正在使用更快、更敏感、高度靈活的新型可靠性測試工具來應對，以幫助降低測試成本并縮短上市時間。Keithley的4200A-SCS參數分析儀和工具包提供了快速測試所需的硬件和軟件以及完整的器件特性和可靠性測試。