半導(dǎo)體器件早期失效篩選方法

張莉萍

【摘? 要】為了獲得更高的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，降低產(chǎn)品早期失效率，老化篩選一直是半導(dǎo)體生產(chǎn)測試的常規(guī)流程。但是器件老化非常耗時(shí)，而且會(huì)帶來高昂的成本。論文討論在何種條件下可以減少和取消器件老化，并提出了既能保證可靠性又能經(jīng)濟(jì)地篩選早期失效的有效方法——高電壓應(yīng)力和IDDQ測試方法。

【Abstract】In order to obtain higher product quality and reliability， reduce the early failure rate of products， aging screening has always been the routine process of semiconductor production testing. However， device aging is time consuming， and it will bring high costs. The paper discusses the conditions under which device aging can be reduced and eliminated， and proposes effective methods that can ensure reliability and economically screen early failure， namely high voltage stress and IDDQ testing methods.

【關(guān)鍵詞】早期失效;老化;高電壓應(yīng)力;IDDQ測試

【Keywords】early failure; aging; high voltage stress; IDDQ testing

【中圖分類號(hào)】TN303? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）03-0137-03

1 引言

典型的半導(dǎo)體器件產(chǎn)品生命周期的可靠性通常用稱為“浴盆曲線”的失效率曲線來表示，失效率隨時(shí)間變化可以分為三個(gè)階段：早期失效期（Infant Mortality Region）、偶然失效期和耗損失效期。

在第一個(gè)階段早期失效期，半導(dǎo)體器件的失效率開始比較高，隨著時(shí)間的推移快速下降。隨后半導(dǎo)體器件進(jìn)入第二個(gè)階段的偶然失效期，在這個(gè)階段中半導(dǎo)體器件長時(shí)間保持很低的、穩(wěn)定的失效率，這個(gè)階段的失效往往是由于施加了過大應(yīng)力造成。最后半導(dǎo)體器件進(jìn)入耗損失效期，在這個(gè)階段失效率開始快速上升，造成失效的原因是產(chǎn)品長期使用所造成的材料和結(jié)構(gòu)老化和疲勞。

在目前的產(chǎn)品和工藝中，由于工藝開發(fā)過程中采用了晶圓級(jí)可靠性或內(nèi)置可靠性（BIR，Build in Reliability）技術(shù)，以及在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中使用可靠性相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)則和可靠性建模技術(shù)，因此，在使用壽命期間的耗損失效實(shí)際上已經(jīng)不存在了，產(chǎn)品可靠性失效主要由存在潛在缺陷的早期失效所主導(dǎo)[1]。產(chǎn)生這些潛在缺陷的主要原因是在器件加工過程中，由于微小的異物、顆粒，以及制造設(shè)備引起的偏差和尺寸偏差等造成。

早期失效期一般為半年到一年時(shí)間，在這段時(shí)間當(dāng)中器件存在較高的失效率，是影響使用可靠性的重要階段。

2 早期失效的故障模式

隨著集成電路集成度的不斷提高，線寬、線間距越來越小，柵氧化層越來越薄，微小的殘留物和顆粒對產(chǎn)品可靠性帶來的影響越來越大。同時(shí)，芯片面積不斷增大，相應(yīng)芯片上柵氧總面積增大，存在缺陷的概率增加，柵氧化層可靠性問題逐漸成為器件早期失效的主要問題。

所以，柵氧化膜泄漏（Leakage）和金屬異物引起的功能不良和泄漏不良是早期失效的主要故障模式。

3 早期失效的篩選方法

早期失效篩選就是要誘發(fā)潛在缺陷提早失效，讓器件提前進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，最終讓產(chǎn)品以規(guī)定的失效率水平，在規(guī)定的使用壽命內(nèi)工作。

常規(guī)應(yīng)用最廣泛的篩選方法就是老化，讓半導(dǎo)體器件在高溫、高電壓條件下進(jìn)行超負(fù)荷工作，從而使缺陷在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)。

如圖1所示，不經(jīng)過任何老化篩選措施，器件需要在T2時(shí)間后才能從早期失效期過渡到偶然失效期，經(jīng)過老化篩選后，器件可以提前在T1時(shí)間進(jìn)入失效率較低的偶然失效期[2]。

老化過程需要芯片工作，保證邏輯電路原則上達(dá)到80%以上的翻轉(zhuǎn)率，通過這一過程篩選臨界的、具有潛在缺陷的或者是存在制造偏差的器件。

老化篩選按照不同的產(chǎn)品應(yīng)用要求，一般需要24～168h，某些軍用及航空器件甚至需要長達(dá)幾百小時(shí)的老化，因此，老化篩選消耗的時(shí)間有時(shí)高達(dá)整個(gè)產(chǎn)品測試時(shí)間的80%左右。

同時(shí)，老化還會(huì)帶來高昂的硬件成本，由于每個(gè)老化板只能容納有限數(shù)量的器件，產(chǎn)品面積越大，容納數(shù)量越少。與此同時(shí)，每個(gè)老化爐只能放置規(guī)定數(shù)量的老化板，以144腳封裝的產(chǎn)品為例，如果采用24h老化，老化成本占產(chǎn)品總成本的30%左右。

因此，從產(chǎn)品盡快上市和控制成本的角度來考慮，老化并不是篩選早期失效產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)有效的解決方法。

本文主要是討論了IDDQ測試和高電壓應(yīng)力測試在篩選早期失效產(chǎn)品上的應(yīng)用及其效果。

3.1 高電壓應(yīng)力測試

高電壓應(yīng)力測試是通過實(shí)施高壓脈沖來篩選早期失效的方法，建議使用DFT測試模式，以獲得較好的故障覆蓋率?？梢栽?0nm的flash IP的產(chǎn)品中采用SCAN和MBIST測試，實(shí)現(xiàn)故障覆蓋率DC95%和AC80%。

臺(tái)積電研究了一種0.25um邏輯技術(shù)6晶體管SRAM在FT（Final Test）環(huán)節(jié)的DVS篩選測試方法，并將改進(jìn)后的DVS測試方法應(yīng)用于臺(tái)積電0.18um邏輯技術(shù)6晶體管SRAM的CP環(huán)節(jié)測試。結(jié)果表明，該方法在CP環(huán)節(jié)能有效地篩選出在應(yīng)用中可能失效的產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)通過一組經(jīng)過DVS篩選的樣本，和另一組是正常的未經(jīng)過DVS篩選的樣本，然后將這兩組芯片放入老化爐中進(jìn)行48h的老化研究。與未經(jīng)過DVS篩選的樣本相比，經(jīng)過DVS篩選的樣品，老化后失效率降低了約60%[3]。

由于CP環(huán)節(jié)的DVS篩選可以節(jié)省不必要的封裝成本和測試時(shí)間，在40nm的flash IP的產(chǎn)品方面，首選在CP測試環(huán)節(jié)應(yīng)用DVS篩選方法，在1.4倍VDD下運(yùn)行測試向量累積時(shí)間500ms，隨后比較DVS前后standby電流的變化量，將超出控制限的芯片視為存在潛在缺陷的芯片。

試驗(yàn)選用三個(gè)樣本批次，每個(gè)批次13989顆。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過DVS測試的比未經(jīng)DVS測試的批次多篩選出的不良品在0.22%左右（見表1）。

DVS篩選出來的失效樣品，經(jīng)PFA分析為金屬顆粒和殘留。

同時(shí)，在三個(gè)批次，每個(gè)批次抽取2000顆樣品追加24h的驗(yàn)證老化，老化條件為高溫125℃、Vcc（max）、24h，三個(gè)批次都沒有繼續(xù)產(chǎn)生失效。

但是需要注意的是，高電壓應(yīng)力篩選測試不適合帶有內(nèi)部穩(wěn)壓電路的器件。

3.2 IDDQ測試

傳統(tǒng)的功能測試和掃描測試是基于邏輯電平的故障檢測，與傳統(tǒng)的測試不同，IDDQ測試的是CMOS集成電路中所有節(jié)點(diǎn)都處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的電源電流，器件內(nèi)的缺陷如氧化層短路、泄漏，無法通過常規(guī)的功能測試和掃描測試檢測出來，但可以被IDDQ測試方法檢測出來。

R. Kawahara[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)對比試驗(yàn)來驗(yàn)證IDDQ的有效性，試驗(yàn)選擇兩批1.0um工藝的樣品，第一組176459個(gè)樣品作為對照樣本，在老化前只進(jìn)行常規(guī)的功能和參數(shù)測試，剔除不合格品后進(jìn)行老化，老化結(jié)束后再進(jìn)行一次常規(guī)的功能和參數(shù)測試。另一組31919個(gè)樣品則在常規(guī)的功能和參數(shù)測試后添加一項(xiàng)IDDQ測試，剔除不合格樣品后再進(jìn)行老化，老化結(jié)束后也進(jìn)行功能和參數(shù)測試。老化試驗(yàn)條件是125℃、VDD=7.0V、6h。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，IDDQ測試篩選使得器件的早期失效率減小了二分之一。

40nm工藝產(chǎn)品由于工藝背景漏電流大，好壞器件之間的IDDQ差別小，常規(guī)的IDDQ測試的有效性受到影響。因此，采取在低溫-40℃環(huán)境下測試以減少背景漏電流的方法，同時(shí)，采用Delta（min-max）IDDQ測試方法，通過同一芯片內(nèi)連續(xù)20個(gè)測試向量下的IDDQ差分值來獲得Delta值，將Delta的結(jié)果與設(shè)定的閾值比較，以此判斷芯片的好壞，解決了IDDQ測試有效性問題，對缺陷芯片的篩選能力更強(qiáng)。

在測試過程中，考慮到IDDQ測試的有效性，樣品首先進(jìn)行DVS篩選，然后進(jìn)行常規(guī)的功能和參數(shù)測試，再進(jìn)行IDDQ篩選測試。

試驗(yàn)選擇三個(gè)批次，每個(gè)批次5710個(gè)樣品，通過了功能、參數(shù)及DVS測試合格的樣品，在IDDQ測試中繼續(xù)產(chǎn)生0.1%左右的失效（見表2）。

表2? IDDQ在低溫CP階段的篩選結(jié)果

收集通過了DVS篩選及常規(guī)的功能和參數(shù)測試但I(xiàn)DDQ測試失效樣品進(jìn)行分析，PFA分析主要表現(xiàn)為柵氧短路、針孔。

同時(shí)，從三批次中篩選出來的良品中各抽取3200顆樣品進(jìn)行老化驗(yàn)證，老化條件為Vcc（max）、125℃、48h，三個(gè)批次的樣品都沒有繼續(xù)產(chǎn)生失效。

可見IDDQ測試技術(shù)，結(jié)合了高電壓應(yīng)力測試，可以篩選出器件中大部分柵氧缺陷和金屬顆粒引起的主要故障，對于篩選存在潛在缺陷的早期失效是十分有效的。

4 結(jié)語

IDDQ和高電壓應(yīng)力測試可以有效地篩選存在潛在缺陷的早期失效的產(chǎn)品，同時(shí)，這個(gè)方法不需要額外的老化板和老化爐的投入，是一種既能保證可靠性又經(jīng)濟(jì)的方法，可以在一定程度上取代老化過程，但是對于軍用、航空等產(chǎn)品應(yīng)用，老化過程還是必不可少的，有效地篩選早期失效的方法還需要半導(dǎo)體制造商進(jìn)行不斷的學(xué)習(xí)和探討。

【參考文獻(xiàn)】

【1】J.A. Van der Pol，E.R. Ooms，T. Van 't Hof，et al.Impact of screening of latent defects at electrical test on the yield-reliability relation and application to burn-in elimination[C]//IEEE International Reliability Physics Symposium. IEEE，1998.

【2】王茉.軍用集成電路老煉篩選技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

【3】Tsao C Y，Shiue R Y，Ting C C，et al.Applying dynamic voltage stressing to reduce early failure rate[C]//IEEE International Reliability Physics Symposium. IEEE，2001.

【4】Kawahara R，Nakayama O，Kurasawa T.The effectiveness of iddq and high voltage stress for burn-in elimination[C]//IDDQ Testing，1996.IEEE International Workshop on. IEEE，1996.