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測試與測量  

解決WLR測試帶來的的新興挑戰

上網時間: 2007年08月20日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:SMU  測試系統  可靠性測試 

如同摩爾定律驅動半導體幾何尺寸的微縮,半導體可靠性問題似乎也遵循著一個可以預測的週期。例如,當技術演進到VLSI時,為了保持導線的電路速度,導入了鋁線連接。此時,很快就發現了電子遷移這類可靠性問題。一旦發現問題所在,就會透過實驗來對退化機制進行建模。利用這些模型,製程工程師努力使新技術的可靠性指標達到最佳化。隨著技術進一步成熟,焦點轉移到降低缺陷上。而隨著ULSI的導入,由於使用了應變矽、銅和低K介電材料等,新一波的週期又再度展開。

隨著導入的化合物材料不斷增加,可靠性方面的挑戰持續加大。這些新挑戰意味著可靠性測試日趨艱難,目前的測試設備已無法滿足需求。在現有設備的能力與尚未滿足的測試需求之間,可靠性和品質保證工程師和研究人員正面臨日見擴大的差距。在這種情況下,測試儀器供應商和處於可靠性測試技術前端的客戶之間,必須進一步展開合作。

可靠性測試發展趨勢

目前,業界正在尋求新型的半導體閘介質材料,以解決超薄閘所導致的漏電流增加問題。隨著一些非常規介電材料的導入,如二氧化鉿,眾所周知的偏置溫度不穩定(BTI)等退化機制就變成非常嚴重的問題。固然,這些新材料可降低閘泄漏,但也導致了閾值電壓和基頻電壓不穩定的問題。

除BTI之外,新一代的閘堆疊(特別是高K金屬閘)顯示時間取決於介質擊穿(TDDB)特性,這與傳統的SiO2材料極大不同。先前用於硬擊穿和軟擊穿的模型較容易理解,然而,這些新材料則呈現‘漸進擊穿(progressive breakdown)’。當務之急是探索失效機制背後相關物理特性的細節,隨著這些材料進入製程相容性最佳化的工程階段,這一任務顯得日益迫切。這些都要求全新的測試設備,新設備不僅要具備較好的測試功能,還要有豐富的處理能力,以適應嶄新的測試需求。

許多退化機制都是由阱電荷導致的結果。因此,必須針對相對於元件之誘捕和釋放(trapping and de-trapping)速率的參數退化量進行測量。測量必須在電應力去掉後迅速完成,而且應力條件還必須在測量完成後盡可能快地恢復。故絕大多數的傳統儀器都無法滿足這些要求。

此外,很明顯,各種電晶體性能增強技術提高了元件可靠性和電路可靠性方面的複雜性。例如,用來提高通道遷移率的應變矽製程會惡化BTI性能。進一步說,閾值電壓的不穩定將會導致遷出電流提高,引發較高的結溫。結溫的升高將加速介質泄漏和擊穿。這些相互影響作用難以建模,且會隨機導致失效。研發可靠的模型就需要相應的測試儀器,以便能擷取大量、具備統計意義且具有快速測試序列的測試樣本。

在電路中,電晶體間的相互影響比單一電晶體內部的工作機制更複雜,故就其建模來說,較大的數據集是非常重要的。例如,P-MOS和N-MOS電晶體的退化方式就不一樣。N-MOS容易導致BTI。結果是,當一個具有互補電晶體的電路傳送時脈訊號時,在一個負載週期或訊號轉換週期內會產生變化。此外,在不同的退化機制之間也會產生複雜的相互影響。例如,軟介質擊穿通常會導致泄露增加。儘管這不會導致電晶體徹底失效,但會加速BTI。由於這些原因,必須擷取大量且具有統計意義的樣本數,這意味著數據點將多達40,000個或更多。

傳統測試設備的問題

這些新挑戰意味著可靠性測試正變得更加困難,已經超出了現有測試硬體的能力。必須對BTI和漸進擊穿這類機制進行快速和精確的測量。傳統上利用架構間多工技術的方法速度不夠快。為了達到具有統計意義的樣本量,並滿足關鍵的定時要求,通常須對每一個架構使用專用的來源和測量硬體。

利用傳統測量系統進行可靠性測試將產生下列問題:

1. 低成本單通道系統通常依賴開關來減少所需的SMU數量;這意味著應力測量轉換很慢。利用多工技術來連續監控每個測試架構也不切實際。這意味著無法實現真正的並聯測試;

2. 較差的定時和響應時間通常無法擷取重要的瞬變事件;

3. 儀器中的處理器可編程和判斷能力受到限制。這也意味著無法運用像數據稀釋等更具潛在價值的處理器;

4. 許多傳統系統的緩衝容量大約只有5,000;這對於像擷取一個完整的低K金屬閘失效數據等多數可靠性測試的需求來說實在太小。

傳統測試系統的軟體架構如圖3所示。通常,中央控制器是一台執行SMU控制庫的電腦。這些庫中包含與所有SMU相關活動的測試程式,包括判斷程式。

圖1:半導體缺陷減少/可靠性改善週期。
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圖1:半導體缺陷減少/可靠性改善週期。

圖2:多工的MSU不適合控制元件的弛豫時間。
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圖2:多工的MSU不適合控制元件的弛豫時間。

圖3:傳統測試系統的軟體架構。
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圖3:傳統測試系統的軟體架構。

這類架構的主要缺點就是中央控制器必須照顧到測試程式中的每一步驟。例如,在標準的等溫電遷移測試中,為了保證測試架構各處的溫度?定,需對電流進行動態調整。SMU採集電流並測量電阻。然後將GPIB匯流排上的電阻值報告給中央控制器。控制器計算溫度,然後決定下一個採集的電流。具有一個新電流值的下一條指令被送到SMU,然後送到GPIB匯流排上。該過程對於幾百個也許是數千個數據點不斷重複。通常這種情況要呼叫所有的程式,許多情況下匯流排延遲是一個嚴重的問題。

新一代測試設備

目前,已經有一種新的測試系統架構問世,這種基於‘智慧’的SMU能提供更高的吞吐量、更好的測試完整性、更大的靈活度,以及更強的資訊處理和判斷能力。這是由於在設備中內嵌了一個滿32位元的測試腳本處理器(TSP),該處理器執行全功能編程語言。該類智慧SMU已應用在Keithley2600系列的SourceMeter儀器中。

由於具有類似電腦的運算能力,2600系列SourceMeter測試系統中的軟體架構有所改變(圖4)。

圖4:基於智慧SMU概念的新型軟體架構。
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圖4:基於智慧SMU概念的新型軟體架構。

注意現在控制測試程式連同所有的判斷的職責都轉移到了儀器上,而中央控制器(電腦)只保留了對嵌入式測試腳本和數據管理進行功能呼叫的職責。

具有更複雜判斷的客戶測試程式可以駐留在儀器中。SMU不再需要透過GPIB將數據返回到電腦控制程式,而是等待判斷和下一個指令。簡言之,匯流排延遲將不再是一個問題,測試能以更自動的方式進行,而且執行速度更快。

該儀器的TSP腳本語言基於眾所周知的開放原始碼引擎。該腳本語言設計得簡單、效率高、輕便且嵌入成本低。具有小腳本的快速語言引擎相當適合嵌入式系統。

2600系列SourceMeter具有一個腳本建構工具:測試腳本產生器。一旦撰寫後,腳本可以儲存在2600中的非揮發性記憶體中。從軟體移植的觀點出發,絕大多數的用戶測試序列都可以在該儀器中實現。在很多情況下,將一個功能呼叫到嵌入式測試腳本中,使用一個單GPIB編寫命令,將會產生整個測試序列。

一般來說,基於2600系統的軟體配置包含兩個主要部份(圖5)。

圖5 :2600系列SourceMeter的軟體架構的兩個主要部份。
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圖5 :2600系列SourceMeter的軟體架構的兩個主要部份。

首先是一個駐留在電腦中的GUI,用於讀取用戶輸入和顯示數據;其次是駐留在2600主機中的測試腳本,用來對所有的測試程式和判斷進行排序。需注意的是,任何其程式基於電腦GUI的主要職責,目前僅限於進行測試參量和選擇方面的功能呼叫,還有數據顯示和管理。

為了適應日益成長的處理需求,2600系列還大幅增強了數據儲存能力。這包括非揮發性記憶體,能儲存用於每個SMU的約5萬個測量和時間印記數據對。此外,還為每個SMU配備了揮發性記憶體。實際上,用戶可以為揮發性記憶體製作和規定所需的容量。該記憶體時間印記的解析度為1微妙,定時精密度為百萬分之五十。

系統架構和平行測試

為了進一步利用增強的處理能力,2600系列還有另一個獨特功能,就是具備‘無主機(mainframe-less)’擴展能力。該功能允許多工的SourceMeter利用稱為TSP-Link的內部單元通訊匯流排進行連接,該匯流排採用標準的乙太網路電纜。透過利用這一虛擬架構,所有的SMU就像位於同一個大型主機系統中一樣。主機單元佔據一個GPIB位址,它可透過TSP-Link匯流排來控制128個SMU。主機單元執行用戶撰寫的嵌入式腳本,並作為受其控制的所有SMU的判斷單元。

該功能在滿足特定測試需求的系統架構中提供了空前的靈活度。可根據測試的強度,或根據需要的平行測試數量來設計系統,使其具有適當的主機單元數量。圖6a中,系統只有一個主機單元,控制16個SMU(每個單元中有兩個SMU);而在6b中,則有四個主機單元,每一個分別控制四個SMU。由一個主機單元控制一組SMU就是眾所周知的‘通道組’技術。

注意,只有要求2600作為主機單元時,它才會佔用一個GPIB位址。圖6b的配置特別適合於每個測試埠需要一個SMU的四埠元件。因為每個通道足有一個控制該通道組內所有SMU的主機單元,因此在平行測試時配置非常方便。特別地,測試腳本庫要預裝載到所有的主機單元中,然後只需對具有用戶輸入參數的腳本進行一次功能呼叫就可以執行測試。GUI軟體需做的所有事情,就是透過GPIB寫入線發送具有用戶輸入參數的功能呼叫。如果在平行測試時需要更高的同步性能,電腦可以向所有的主機單元發送一個GPIB組觸發訊號,它可以啟動組內SMU上測試程式的執行。由於此一安排,GUI程式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佈到網路各處的現代電腦網路也有點類似。具有許多‘從’端設備的單獨中央處理器架構已經過時。在2600系列基礎測試系統中也採用了分散式技術,將執行測試功能和判斷的職責分散到所有的主機單元上。

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

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

硬體性能

Keithley2600系列的源測量硬體引擎具備多種功能。其高速特性可擷取瞬變行為,而且每秒徵集的讀數高達10,000個,或每秒可多達5,500個源測量點。

該力感應電路(圖7)具有力(輸入/輸出)‘高(Hi)’/‘低(Lo)’和感應‘高(Hi)’/‘低(Lo)’引端,對於返回電流允許使用力Lo或感應Lo引端。2600系列的力Lo和感應Lo與底盤地電氣隔離,故一個單獨的SMU就能執行全4線開爾文測量。這是許多測試協議中的顯著優點,如電遷移協議,因為在每個採樣架構中僅需要一個SMU。

圖7:2600系列的力感應電路(含源電壓配置)。
圖7:2600系列的力感應電路(含源電壓配置)。

所有的2600系列儀器都具備四象限作業(圖8),使他們能適應更廣泛的應用,他們可作為為源或接收器(負載)。更進一步,每一個SMU含有兩個A/D變換器,可同時進行電流和電壓測量。這可減少延遲並增加測試吞吐率。另外可方便地對該系統的規模進行升級,見圖9。

圖8:Keithley2611和2612的四象限工作參數。
圖8:Keithley2611和2612的四象限工作參數。

在從單一源-測試儀器向SMU轉換時,吞吐率方面最大的收益來自於系統程式的改變。不再使用基於電腦的控制,而是讓SMU的測試序列器和程式記憶體來控制測試。該設備的嵌入式測試腳本程式可增強靈活性,用戶可以利用一台儀器實現很多應用,大幅簡化了軟硬體的整合任務。人們能夠容易地為精密DC、脈衝、低頻AC源-測試建構具備成本效益、可升級、具有大吞吐率的測試解決方案。

圖9:建構升級系統非常容易,可以實現高達896個SMU通道。
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圖9:建構升級系統非常容易,可以實現高達896個SMU通道。

本文小結

目前,半導體測試正面臨全新挑戰,即新興測試的需求遠超過了現有系統所能提供的能力。此時,必須改變測試系統架構,以滿足新興測試需求。Keithley 2600系列提供了高吞吐率與數據完整性等特色,在半導體可靠性測試計劃所需的擴展和重新改變用途方面,具有很大的靈活性。

作者:Joey Tun

應用工程師

Keithley公司




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