WLR測試中所面臨的新挑戰(zhàn)

　　就像摩爾定律驅(qū)動半導(dǎo)體幾何尺寸的縮小一樣，有關(guān)解決半導(dǎo)體可靠性問題的活動也遵循一個似乎有點可以預(yù)測的周期。例如，技術(shù)演進(jìn)到VLSI時，為了保持導(dǎo)線的電路速度，引入了鋁線連接。此時，很快就發(fā)現(xiàn)了電子遷移這類的可靠性問題。一旦發(fā)現(xiàn)了問題所在，就會通過實驗來對退化機(jī)制進(jìn)行建模。利用這些模型，工藝工程師努力使新技術(shù)的可靠性指標(biāo)達(dá)到最佳。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，焦點轉(zhuǎn)移到缺陷的降低上面。而隨著ULSI的引入，由于使用了應(yīng)力硅、銅和低K介電材料等，又開始一輪新周期。

　　隨著引入的化合物材料的增加，可靠性方面的挑戰(zhàn)繼續(xù)加大。這些新挑戰(zhàn)意味著可靠性測試日趨艱難，目前的測試設(shè)備已無法滿足。在現(xiàn)有設(shè)備的能力與尚未滿足的測試需求之間，可靠性和質(zhì)保方面的工程師和研究人員正在面臨日見擴(kuò)大的差距。這種情況下要求測試儀器提供商和處于可靠性測試技術(shù)前沿的客戶之間進(jìn)一步通力合作。

　　可靠性測試發(fā)展趨勢

　　目前業(yè)界正在尋求新型的半導(dǎo)體門介質(zhì)材料，來解決超薄門所導(dǎo)致的漏電流增加。隨著一些非常規(guī)的介電材料的引入，例如二氧化鉿，此時眾所周知的偏置溫度不穩(wěn)定(BTI)這類退化機(jī)制就變成非常嚴(yán)重的問題。固然，這些新材料可以降低門泄漏，從而降低靜態(tài)工作點，但也導(dǎo)致門限電壓和基帶電壓不穩(wěn)定的問題。

　　除BTI之外，新一代的門堆疊(特別是高K金屬門)顯示時間取決于介質(zhì)擊穿(TDDB)特性，這與傳統(tǒng)的SiO2材料極大不同。先前用于硬擊穿和軟擊穿的模型比較好理解，然而這些新材料則呈現(xiàn)“漸進(jìn)擊穿(progressive breakdown)”。眼下的迫切任務(wù)就是要探索失效機(jī)制背后的物理特性的具體細(xì)節(jié)，隨著這些材料進(jìn)入工藝兼容性正在被優(yōu)化的工程階段，這一任務(wù)顯得日益迫切。這些都要求一類新的測試設(shè)備，這些設(shè)備不僅要具有較好的測試功能，還要有豐富的處理功率(processing power)，以適應(yīng)創(chuàng)新的測試序列。 

　　許多退化機(jī)制都是由阱電荷導(dǎo)致的結(jié)果。因此，需要對相對于器件的誘捕和釋放(trapping and de-trapping)速率的參數(shù)退化量進(jìn)行測量。測量必須在電應(yīng)力去掉后迅速完成，而且應(yīng)力條件還必須在測量完成后盡可能快地恢復(fù)。故絕大多數(shù)的老式儀器都無法滿足這些要求。

　　此外，很明顯，各種晶體管性能增強(qiáng)技術(shù)導(dǎo)致了器件可靠性和電路可靠性方面復(fù)雜的相互作用。例如，用來提高通道遷移率的應(yīng)力硅工藝會惡化BTI性能。進(jìn)一步說，門限電壓的不穩(wěn)定將會導(dǎo)致遷出電流提高，從而導(dǎo)致較高的結(jié)溫。結(jié)溫的升高將會加速介質(zhì)泄漏和擊穿。這些高級別的交互作用難以建模，并隨機(jī)地導(dǎo)致失效。研發(fā)可靠的模型就需要相應(yīng)的測試儀器，以便能夠捕獲大量的、具備統(tǒng)計意義的帶有快速測試序列的測試樣本。

　　電路中的晶體管間的交互作用甚至比單個晶體管內(nèi)部的工作機(jī)制更復(fù)雜，故對其建模來說，大的數(shù)據(jù)集是尤其重要的。例如，P-MOS和N-MOS晶體管的退化方式就不一樣。N-MOS容易導(dǎo)致BTI。結(jié)果，一個具有互補(bǔ)晶體管的電路來傳送時鐘信號時，在一個負(fù)載周期內(nèi)或信號轉(zhuǎn)換周期內(nèi)會產(chǎn)生變化。此外，在不同的退化機(jī)制之間也會產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。例如，軟介質(zhì)擊穿通常會導(dǎo)致泄露增加。盡管這不會導(dǎo)致晶體管徹底失效，但可以加速BTI。由于這些原因，需要捕獲大量的具有統(tǒng)計意義的樣本數(shù)，這意味著征集的數(shù)據(jù)點多達(dá)40000個或更多。

圖1：半導(dǎo)體缺陷減少/可靠性改善周期。

　　圖2：多路的MSU不適合控制器件的弛豫時間。

　　舊式測試設(shè)備存在的問題

　　這些新挑戰(zhàn)意味著可靠性測試正在變得更加困難，已經(jīng)超出了現(xiàn)有測試硬件的能力。必須對BTI和漸進(jìn)擊穿這類的機(jī)制進(jìn)行快速和精確的測量。利用架構(gòu)間的多路技術(shù)這種老方法速度不夠快。為了達(dá)到具有統(tǒng)計意義的樣本量，并滿足關(guān)鍵的定時要求，通常需要對每一個架構(gòu)使用專用的源和測量硬件。

　　利用一般的傳統(tǒng)測量系統(tǒng)來進(jìn)行可靠性測試將會產(chǎn)生下列問題：
　　1. 低成本單通道系統(tǒng)通常依賴開關(guān)來減少所需的SMU的數(shù)量；這意味著應(yīng)力測量轉(zhuǎn)換很慢。利用多路技術(shù)來連續(xù)監(jiān)控每個測試架構(gòu)也是不可能的。這也就意味著真正的并聯(lián)測試是不可能的；
　　2. 由于較差的定時和響應(yīng)時間通常也無法捕獲重要的瞬變事件，也會導(dǎo)致不好控制馳豫時間；
　　3. 儀器中的處理器可編程和判決能力受到限制。這也意味著像數(shù)據(jù)稀釋之類的更有潛在價值的處理器的利用也是不可能的；
　　4. 許多傳統(tǒng)系統(tǒng)的緩沖容量大約只有5,000；這對于像捕獲一個完整的低K金屬門失效數(shù)據(jù)這類的絕大多數(shù)可靠性測試的需求來說實在太小。
傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖3所示。通常，中央控制器是一臺運行SMU控制庫的計算機(jī)。這些庫中包含與所有SMU相關(guān)活動的測試程序，包括判決程序。

　　圖3：傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。

　　這類架構(gòu)的一個主要缺點就是中央控制器必須照顧到測試程序中的每一步。例如，在標(biāo)準(zhǔn)的等溫電遷移測試中，為了保證測試架構(gòu)的各個地方的溫度恒定，需要對電流進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。SMU采集電流并測量電阻。然后將GPIB總線上的電阻值報告給中央控制器。控制器計算溫度，然后決定下一個采集的電流。帶有一個新電流值的下一條指令被送到SMU，然后送到GPIB總線上。該過程對于幾百個也許是數(shù)千個數(shù)據(jù)點不斷重復(fù)。通常這種情況要調(diào)用所有的程序，許多情況下總線延遲是一個嚴(yán)重的問題。

　　新一代的測試設(shè)備

　　目前有一種新的測試系統(tǒng)架構(gòu)，基于“智能”的SMU，能夠提供更高的吞吐量，更好的測試完整性，更大的靈活度，以及總體上更強(qiáng)的信息處理和判決能力。這是由于在設(shè)備中內(nèi)嵌了一個滿32位的測試腳本處理器(TSP)，該處理器運行全功能編程語言。該類智能SMU被用在Keithley2600系列的SourceMeter儀器中。

　　由于具有類似計算機(jī)的計算能力，2600系列SourceMeter測試系統(tǒng)中的軟件架構(gòu)有所改變(圖4)。注意現(xiàn)在控制測試程序連同所有的判決的職責(zé)都轉(zhuǎn)移到了儀器上，而中央控制器(計算機(jī))只保留了對嵌入式測試腳本和數(shù)據(jù)管理進(jìn)行功能調(diào)用的職責(zé)。

　　圖4：基于智能SMU概念的新型軟件架構(gòu)。

　　具有更復(fù)雜判決的客戶測試程序可以駐留在儀器中。SMU不再需要通過GPIB將數(shù)據(jù)返回到計算機(jī)控制程序，而是等待判決和下一個指令。簡言之，總線延遲將不再是一個問題-測試可以以更自動的方式進(jìn)行，而且執(zhí)行速度更快。

　　該儀器的TSP腳本語言基于眾所周知的開放源語言引擎，其在視頻游戲開發(fā)者中間有大量沿用。該腳本語言設(shè)計得簡單，效率高，輕便且嵌入成本低。該語言值得設(shè)計師稱頌的是具有小腳本的快速語言引擎，對于嵌入式系統(tǒng)特別理想。似乎其所有所需的都是為復(fù)雜判決而構(gòu)建的，還有其他豐富的功能-不過這些都超越了文本的討論范疇。 盡管可以使用任意的字處理器來編寫測試腳本，2600系列SourceMeter還是帶有一個方便的腳本構(gòu)建工具-測試腳本生成器。一旦書寫后，腳本可以存儲在2600中的非易失性緩沖器中。從軟件移植的觀點出發(fā)，絕大多數(shù)的用戶測試序列都可以在該儀器中實現(xiàn)。在很多情況下，將一個功能調(diào)用到嵌入式測試腳本中，使用一個單GPIB寫命令，將會生成整個測試序列。

　　一般地，基于2600系統(tǒng)的軟件配置包括兩個主要部分，見圖5。

　　圖5 ：2600系列SourceMeter的軟件架構(gòu)的兩個主要部分。

　　1. 一個駐留在計算機(jī)中的GUI，用于讀取用戶輸入和顯示數(shù)據(jù)
　　2. 駐留在2600主機(jī)中的測試腳本，用來對所有的測試程序和判決進(jìn)行排序。
注意，任何其程序基于計算機(jī)的GUI的主要職責(zé)現(xiàn)在僅限于進(jìn)行測試參量和選擇方面的功能調(diào)用，還有數(shù)據(jù)顯示和管理。

　　為了適應(yīng)日益增長的處理需求，2600系列還大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)存儲能力。這包括多路非易失性緩沖器，能夠存儲用于每個SMU的大約5萬個測量和時間印記數(shù)據(jù)對。此外，還為每個SMU配備了多路易失性緩沖器。實際上，用戶可以為易失性緩沖器創(chuàng)建和規(guī)定所需的存儲容量。該緩沖器時間印記的分辨率為1微妙，定時精度為百萬分五十。

　　系統(tǒng)架構(gòu)和并行測試

　　為了進(jìn)一步利用增強(qiáng)的處理能力，2600系列還有另一個獨特功能，就是具備“無主機(jī)(mainframe-less)”擴(kuò)展能力。該功能允許多路的SourceMeter利用稱為TSP-Link?的內(nèi)部單元通信總線聯(lián)系到一起，該總線采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)電纜。通過利用這一虛擬架構(gòu)，所有的SMU就像位于同一個大型主機(jī)系統(tǒng)中一樣。主機(jī)單元占據(jù)一個GPIB地址，它可以通過TSP-Link總線來控制128個SMU。主機(jī)單元運行用戶書寫的嵌入式腳本并作為受其控制的所有SMU的判決單元。

　　該功能在滿足特定的測試需求的系統(tǒng)架構(gòu)中提供了空前的靈活度?？梢愿鶕?jù)測試的強(qiáng)度，或者根據(jù)需要的并行測試數(shù)量，來設(shè)計系統(tǒng)使其具有適當(dāng)?shù)闹鳈C(jī)單元數(shù)量。圖6a中，系統(tǒng)只有一個主機(jī)單元，控制16個SMU(每個單元中有兩個SMU)；而在6b中，則有四個主機(jī)單元，每一個分別控制四個SMU。由一個主機(jī)單元控制一組SMU就是眾所周知的“通道組”技術(shù)。

　　圖6a 具有一個控制16個SMU(每個儀器中有兩個SMU)的主機(jī)單元的多通道測試系統(tǒng)

　　圖6b ：利用一個主機(jī)單元控制一個通道組中的四個SMU、并共有四個通道組的多通道測試系統(tǒng)。

　　注意只有要求2600作為主機(jī)單元時它才占用一個GPIB地址。圖6b的配置特別適合于每個測試端口需要一個SMU的四端口器件。因為每個通道足有一個控制該通道組內(nèi)所有SMU的主機(jī)單元，因此在并行測試時配置非常方便。特別地，測試腳本庫要預(yù)裝載到所有的主機(jī)單元中，然后只需對帶有用戶輸入?yún)?shù)的腳本進(jìn)行一次功能調(diào)用就可以運行測試。GUI軟件需要做的所有事情就是通過GPIB寫入線發(fā)送帶有用戶輸入?yún)?shù)的功能調(diào)用。如果在并行測試時需要更高的同步性能，計算機(jī)可以向所有的主機(jī)單元發(fā)送一個GPIB組觸發(fā)信號，它可以啟動組內(nèi)SMU上測試程序的運行。出于這一工作安排，GUI程序上僅需的主要功能就是具有基本的GPIB功能-即GPIB讀取，GPIB寫入等。

　　圖6b中的安排與將處理電源分布到網(wǎng)絡(luò)中的各個地方的現(xiàn)代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也有點類似。具有許多“從”端設(shè)備的單獨的中央處理器架構(gòu)已是過時。在2600系列基礎(chǔ)測試系統(tǒng)中也采用了分布式技術(shù)，將運行測試功能和判決的職責(zé)分布到所有的主機(jī)單元上。

　　與處理能力相匹配的硬件性能

　　Keithley2600系列的源測量硬件引擎的多功能性是無可比擬的。其高速度允許捕獲瞬變行為，而且每秒征集的讀數(shù)高達(dá)10,000個，或者說每秒多達(dá)5,500個源測量點。

　　該力感應(yīng)電路(圖7)帶有力(輸入/輸出)“高(Hi)”/“低(Lo)”和感應(yīng)“高(Hi)”/“低(Lo)引端，對于返回電流允許使用力Lo或感應(yīng)Lo引端。2600系列的力Lo和感應(yīng)Lo與底盤地電氣隔離，故一個單獨的SMU就能執(zhí)行全4線開爾文測量。這是許多測試協(xié)議中的顯著優(yōu)點，如電遷移協(xié)議，因為在每個采樣架構(gòu)中僅需要一個SMU。因為不需要公共地，故對于2600基礎(chǔ)平臺來說，測量多路器件不再是問題。

　　圖7：2600系列的力感應(yīng)電路（含源電壓配置）。

　　所有的2600系列儀器都具備四象限操作(圖8)，使得他們能夠適應(yīng)于更廣的應(yīng)用，他們可以用作為源或接收器(負(fù)載)。

　　圖8：Keithley2611和2612的四象限工作參數(shù)。

　　更進(jìn)一步，每一個SMU含有兩個A/D變換器，可以同時進(jìn)行電流和電壓測量。于是減少了延遲并增加了測試吞吐率。另外可以方便地對該系統(tǒng)的規(guī)模進(jìn)行升級，見圖9。

　　圖9：構(gòu)建升級系統(tǒng)非常容易，可以實現(xiàn)高達(dá)896個SMU通道。

　　充分利用SMU測試序列(可選)

　　在從單一源-測試儀器向SMU轉(zhuǎn)換時，吞吐率方面最大的收益來自于系統(tǒng)程序的改變。不再用基于計算機(jī)的控制，而是讓SMU的測試序列器和程序存儲器來控制測試。這就充分利用了SMU的許多特色和功能，例如四象限操作，電壓和電流掃描，內(nèi)置的波形產(chǎn)生器，程序深存儲器，皮秒級的靈敏度，5位半數(shù)字分辨率，判定測試通過與否的測量比較器，以及用來控制其它設(shè)備的I/O接口。

　　所有這些功能把Keithley 2600系列SMU提升到了一個新高度。其嵌入式測試腳本程序增強(qiáng)了靈活性，自動執(zhí)行測試的能力非常強(qiáng)大。用戶可以利用一臺儀器實現(xiàn)很多應(yīng)用，硬件/軟件集成任務(wù)大為簡化。人們能夠容易地為精密DC、脈沖、低頻AC源-測試構(gòu)建具備成本效益、可升級、具有大吞吐率的測試解決方案。

　　2600系列儀器在I-V可靠性測試應(yīng)用中，能夠提供比其競爭對手高2-4倍的測試速度。還能提供更高的源-測量通道密度和低成本。在每個測試點上，模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供小于100?s的電流和電壓的同時測量，源-測量掃描速度小于230?s。其高速的源-測量能力，加上嵌入式測試腳本，使得吞吐率比通過GPIB來運行基于計算機(jī)的程序提高了多達(dá)10倍。

　　結(jié)論

　　目前半導(dǎo)體測試又一次面臨新興的測試需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)有系統(tǒng)能夠提供的能力的局面。需要改變測試系統(tǒng)架構(gòu)來成功滿足新的測試需求。Keithley 2600系列代表新一代的智能SMU，其架構(gòu)能夠提供高吞吐率，數(shù)據(jù)完整性，在半導(dǎo)體可靠性測試項目所需的擴(kuò)展和重新改變用途方面具有很大的靈活性。