200905217 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上是關於—種使用於半導體製造中的方法 ’、表1特別疋關於—種用來測試半導體元件可靠度 (reliability)的方法與裝置。 【先前技術】 在現7半‘體積體電路的製造流程中,可靠度測試 (renabilitytest)為—不可或缺的環節。基本上,可靠度 可定義為:在一般的使用環境下,產品或裝置能順利、正 ¥運作的使用週期或壽命。因為半導體的線寬尺寸日益縮 J /、運作之時脈速度越來越快,故相對地,電路結構在 =件,作時所承載之電流與溫度亦就越來越高。在此種嚴 苛的%境下,多種機制都可能導致半導體元件或電路的運 作失效(fail)’像是「熱載子注入」(Hot Carrier Injection, HCI )、「金屬線電致遷移」(mectr〇migrati〇n,舰)、「應 力遷移效應」(stress migration,SM )、依時性介質崩潰 (Time Dependent Dielectric Breakdown,TDDB)、「負偏 [/皿度不穩定性」(Negative Bias Temperature Instability, NBTI )以及「正偏壓溫度不穩定性」(b心 Teniperature Instabmty,pBTI )等。上述各種會造成半導 體電路失效的機制都是由於其某一部份的元件在單一或綜 合的特定條件(例如溫度、電壓、電流以及濕度等)持續 施加下所誘發出來。舉例而言,熱載子效應大部分是因為 问電壓施加到汲極(drain )端,產生能量高的熱載子陷入 200905217 或注入氧化閘極層(gateoxide)造成元件定性的改變。而 金屬線電致遷移則是因為導體(如metalline)中電子與缺 陷晶格作用導致其金屬原子慢慢遷移造成開路或短路了、 圖一為一般半導體裝置中各種的可靠度測試種類以及 錢施加的測試條件。—般而言,表中的各種測試都可以 精由在一定時間内持續施加各種測試條件來達成,其測試 條件大部分為較高的溫度、電壓、電流以及濕度。由於各 種可靠度測試皆有其不同的測試項目、施加部位、施加條 T =、、且σ與大小’故於測試的過程中,能即時監控並同時 穩定各項所施加之測試條件就顯得非常重要。 、相關之專利如美國專利6,724,214射所揭露之可 度測試結構,此專利可實行HCI、tddb以及綱這三 可靠度測試。而美國料“,787,799號中則揭露一難置 用來f試半導體元件在高溫時之可靠度。在上述的專利 中,前者之,試結構雖能提拱三種不同的可靠度測試,但 之:二:° 以及回饋網路之整合’故只能判定元件測試 U而不%調整或敎測試時各項所施加的參數。 ΐ = = ί於只能提供溫度方面的測試條件,並無 法“在其他包含電壓、電流條件的可靠度測試中。故如 ^整合各種不同的測試條件以減少測試所需之時間 本’以及於測試期間提供穩定、多階可調變的施加心牛以 ^空測試時之狀態,是現今可靠度⑽可収 【發明内容】 π 為了達到上述目的 本發明提供一種用於半導體可靠 200905217 度測試之方法與裝置。其裝置主要包含:一整合器 (combiner),與各施加電路以及待測裝置(dut)連接; 數個不同的測試條件施加電路,包含溫度、電壓與電流等 -種把力u條件來源,其可同時施加多組不同的測試條件到 待測裝置端;-回饋網路’自整合器連接至各施加電路端 與各待測裝置端。在測試開始前,使用者可先於整合器端 設定各項欲施加之測試條件值與(或)測試項目,其設定 可對應配合前述各種條件組合之可靠度測試。在測試期 間’整合ϋ可偵測並監控各待測裝置端的各項施加條件 值,並經由與各施加電路連接之回饋網路傳達動作指令, 要求施加電路提高或降低其施加條件的大小,以達到穩定 測試條件之效果。其監控機制也可讓整合器即時判定其待 測裝置之測試結果,以縮短測試的時間。 【實施方式】 如圖二所示,本發明之組成架構主要為一整人哭 、(combiner) 1與三種不同測試條件之測試模組整合ϋ 成,此二種測試模組包含分別為熱供給模組2,其得提供 多階測試溫度、電壓供給模組3,其得提供多階測試電位 與電流供給模組4,其得提供多階測試電流。整合器丨主 要的功能為穩定並監控所施加之測試條件並偵測判^ 定待 裝置之測試狀態(即測試之通過或失敗)。參照至圖三,為 本發明WLR之測試系統功能示意圖。測試線路所^加: 測試條件,如測試電壓V、測試溫度τ、以及測試電流工 等’會傳送到待測裝置端(DU丁,DeviceUnderT叫:, 7 200905217 整合器1將於其中監控。圖中 浐網攸^儿 虛線代表各電路之間的反 香气鉻杜处% 其功此在於傳達動作訊息盥 以條件狀態,知行如下:待測裝置6於不同施 : 測試過程中會回饋其含有〃之 連接之整合㈣腺悲之訊號給與其 ㈣之i 4電路i,根據待測裝置6所回饋 設的設定條件值,整合器丨會 11 I、預 狀態而給予Μ連接之❹不同測試條件之 丁 /逑接之不冋施加電路(v,T, j 動作指令。舉例而言,當吾人$ 一 : ’ 定溫測試,其待測參置6在 〜^為1〇〇°C的 時m以敕a 在 過程中會不斷回饋其即 人^^ΓΓ正口益卜在訊號接收的過程中,假如整 ^!接收到之回饋訊號反應出其受試裝置端之即時严产 超過其H)〇C之預定測試溫度,整合器i就會產生另; 作《給負責提供熱能的熱供給模組2 待測裝置端6的熱能;反之,如果待測裝置6回馈= 反應出其溫度低於預定之測試溫度,整合器i即會要求; 供給模組2提高熱能輸出。同樣的調節機制也能在電驗 給模組3以及電流供給模組4中實行。經由圖中即時回馈 網路FB之訊息傳遞,整人哭】a 梦署“… 夠居中調節並穩定待測 裝置6所被⑯加的各項測試條件,以控制可靠度測試 (Μ·1# teSt)中各種不同測試結構(test Structure )的 施加條件組合,因而能即時監控其受試狀態以保持測試之 精確度。整合器1得令使用者設定選擇所要之測試項目或 施加條件,包括各種晶圓妨& 分粳日日κ級(wafeMevel)或封裝級 (package-level)可靠度測試,如 TDDB、HCI、EM 等, 200905217 或是各項測試參數之預設值(如施加溫度、施加電壓以及 施加電流等)。 參照至圖四,其為圖三中其中一熱供給模組2之示意 圖,該熱供給模組2中配置多階溫度產生器2〇,其包含複 數定值電阻器―)R。電阻器R之材料可為金屬、 多晶矽、n,ell電阻、P_well電阻或是磊晶層等材質。於 測試期間,改變流經電阻器R之電流將可產生不同溫卢之 ,輸出。受到電流的影響,將產生不同程度之熱能=至 又,測裝置端(DUTs) 6。本例中配置的電阻器R之電阻 值疋固定的’其所能產生的溫度輸出主要由流經其中的電 流,來決定(圖中的n、I2以及13即表示不同的電流值)。 於實例中,整合器1能㈣到實際待測裝置端6之溫度。 在比較實際溫度與其預設之施加溫度後,整合器!會經回 饋網路7發出訊號至熱供給模組端2,指示改變其輸入電 流之大小,以穩定待測裝置端6之溫度。此外,熱供給模 組2也可同時提供多組不同的施加溫度到各待測裝置端 6w,如圖f中,丁卜仞及T3可代表三組數值不同的施加 咖度1可讓裝置同時測試三個不同溫度測試項目(或條 件)之待測裝f 6。須注意此實施例係用以說明,於實用 中,使用者可於熱供給模組2中配置更多的電阻器r來產 生更夕階的溫度輸出,並不限於此實施例中所示的三階。 參照至圖五,其為另一實施例中熱供給模組2之示音 圖。不同於上述實施例之實行方式,此實施例是藉由固; 之電流值I配合不同電阻值的電阻(Ri、r2&r3)來達 200905217 到=變其多階熱能輸出之㈣。以類似上—例的方式,在 固定的電流輸入下,經由可變電阻(R1、R2及R3)電阻 值之改、#’可達成我們要的多階熱能輸出,進而使待測裝 置端6達到預定之測試溫度。其整合器丄之調節與監控也 如同上例,經由-回饋網路7來傳送其指令訊號來達成。 參照至圖/、,其為電壓供給模組3中分壓器部位 (voltage divider) 8之示意圖。電壓供給模組3必須提供 一可調變且穩定的施加電壓(st⑽ed讀啊)給與其連 接之待測衆置。如圖所示,分㈣8電路中的第—端與第 二端分別輪合一電壓供應端VDD與一接地端9,其間配置 有數個彼此串連的電阻⑻…⑼及仏豆中盘接地 端相鄰接之電阻R為一電阻值相較電阻幻、们及R3為 小上許多的接地電阻,主要功能為安全防護、突波抑制盘 糸統穩定之用。在接地電阻R與電阻R1之間有一參考電 壓Vref自外部輸入,該參考電壓Vref來源為一能隙參考 jBand_gapreference)電壓,其主要功能為提供整體電路 -穩定、不受溫度或其供應電壓影響的電壓參考值。電壓 供給模組在電壓供應端VDD與參考電邀v 多個可變電阻串連設計,其目的為在電阻與電 Μ及R3之間)產生多個大小不同、可調變之電壓差 (如圖中的Δν卜AV2及㈣),以同時施加多植 電壓(即圖中的V1、V2&V3)至待測裝 ' 同時測試多組電壓施加條件不同的待 ^使其月 ……大小與—―力以及 200905217
有關係。在本例中,除參考電壓Vref外,其他各個夫 數值都可以依設定改變來達到我們想要的V卜V2及^ 輸出電壓值組合。其V1等於Vref+Avi ; v2等於W + AV2; V3等於Vref+AV3。當然,與上面熱供給模組 的例子相似’整合器!可偵測到待測裝置端6實際的電壓 值,並經由回饋網路要求電壓供給模組改變其電壓輸出大 小VDD或是其中的電阻值R1、们以及R3以穩定待測裝 置端6所接收到的施加電壓。此處要注意的是:實施例中' IU、R2及R3三個電阻之配置僅用以說明此電壓輸出線路 之多重電壓輸出功能’於實際應用上,該領域之熟習技藝 者會因其需求於其中配置其他的電阻以提供額外的電壓輸 出來同時測試更多的裝置。
圖七為圖六中參考電壓Vref之一能隙參考電路 ^Band-gap reference)。如圖中所示,首先,電路的第一 端將由一穩定電流源提供一穩定的電流輸入ic,該電流輸 入1C會由其流徑電流計丨〇測量。電流計〗〇後為一雙載子 接面電晶體 U (BJT,Blpolar Juncti〇n Transist〇r),BJT 在一定的溫度範圍内能提供相當穩定一致的輸出電壓 VBE。而與電路輸出端相接處另有一 ρτΑτ產生器 (Prop〇rti〇nal-to-absolute-temperature,絕對溫度比例產生 器),其產生之電壓Vt可補償BJT產生的負溫度係數電壓 損失,以消除溫度變化對整體電路輸出電壓v〇之影響, Vo 即等於 VBE + 冷(kT/q)。y3 ( kT/q)即為 pTAT 生成 器補償之電壓值Vt。圖八與圖九則為另兩種艮…士式的能 200905217 隙參考電壓Vref之電路設計與其變形,同樣能提供整體電 路系統穩定的參考電壓來源。由於上述所提到各種能隙來 考電路皆是該領域已習知之技術,故此處於其細節處不再 多加贅述。 現在參照至圖十,其為實施例中電流供給模組4之電 路圖,為一電流鏡設計(currentmirr〇r)。首先,電路起始 端會通入一穩定的參考電壓Vref,該參考電壓之來源與上 例中提到之參考電壓來源相同。參考電壓Vref會由一放大 器13的正極端通入,再連接至一場效電晶體i4 (Fieid
Effect Transistor,FET )之閘極 G ( _ )。場效電晶體" 的源極s (source)與放大器15的負極以及一接地電阻r 相連。該接地電阻R之功能與上面提到的實施相同,為安 全防護、突波之抑制與系統敎之用。場效電晶體14之沒 極D ( Drain )會連至另外數個相互並聯的場效電晶體 (15 16、17及1 8…等)之閘極端。場效電晶體丨6、丄7 及18々之源極端(source)會分別與一電流計(19、及 4 )以及待測襄置(DUT1、DUT2及DUT3…等) 依序連接而成,最後再連至接地端,形成個別的測試條件 ,加電路。場效電晶體16、17及18之功能在於提供待測 咸置(DUT’n )-穩定的施加電流,不會受與其連接之待 、]裝置本身電阻大小影響。而場效電晶體與待測裝置間的 十19、20及21則能測量並監控流過電流之大小。根 據該電流鏡配置之方式’施加一參考電壓Μ,會有—電 流^流經接地電阻R’其中I = Vref/R,意即該電流值會隨 12 200905217 大勺電Ha r大小而變。而其電流鏡之設計會使經過各個 、電路至待測裝置端的輪出電流則分別為 I*N1、I*N2 =I N3 ·.等。故控制電流z之大小以及場效電晶體之配 =能改變並決定各施加電路之輸出電流大小,以同時測 ^夕個具有不同電流測試條件之待測裝置。如同上述實施 I般,假如整合器Η貞測到各待測裝置端之施加電流值 :離使用者所設定之測試值,整合器i會經由回饋網路(未 :)傳達指令訊息改變其中的元件參數來維持穩定的電 =輸出。亦如同上述電壓測試電路之實施例,16、17及18 輸出電路配置僅用以說明此電流供給模組多重的電流 2功能,於實際應用上,該領域之熟習技藝者會應其需 +、其線路中配置更多的輸出線路以同時提供更多的施加 電流來測試更多的裝置。 οσ除了 """控與穩定各項所施加之測試條件的功能,整合 器1也可經由偵測到的參數來判定待測裝置是否失效 例而言,在TDDB測試中,整合器Μ測到其 -受測單元在—定的測試時間後電壓突然急遽升高,即可 斷定該裝置或元件在此項測試條件下失效。 參照至圖十一,此圖與圖三中說明之電路結構類似, /、別在於額外的濕度測試條件Ή被施加在各待測裝置 上。濕度測試條件Η會被應用在THBT (
HunndUy Bmsed Testing ’溫度濕度偏差測試)或是hast (Highly ACCelerated Stress 丁⑽,加速應力測試)等可靠 度測試項目中。如同上述各實施例之方式,整合器可透過 13 200905217 穩疋其施加濕度 與濕度把加單元連結之回饋網路來監控並 之強弱。 請參照至圖十二,其為將電壓v、電流〗、溫度τ三 種不同測試施加條件整合應用之電路圖。此實施例^假: 每種測試施加條件(T、VAI)來源分料提供三種不同又 的測試條件值,以溫度來說即為圖中的T1、丁2及T3 ’·以 電壓來說即為Vs卜Vs2及Vs3;以電流來說即為WW 以及Is3。則在三種不同類型的施加條件與三種不同施加 條件值的整合下,本發明可同時提供九組不同的測試條件 組合來測試各待測裝置(如之可靠产 當然,實際之測試條件組合數目,要視每種施加條::源 所能提供的測試條件而定,能同時提供的測試條件越多(如 超過實施财說明的三個),那能同時測試的裝置數目 試種類亦就越多。 一“ 本發明之描it包含較佳實施例與其所伴隨之圖式。須 瞭解其中所有的實施例皆只用以說明。因&,本發明也^ 應用在其他不同的實施财,而非侷限於其較佳實施例此 此外,本發明僅受其隨附之專利申請項目與等效範圍所 制,而非其他任何的實施例。 义 【圖式簡單說明】 本發明在某些部份與配置會以物理的方式呈現,其 佳實施例在說明書中會有詳細的描述與圖示,其中:” 乂 圖-為各種可靠度測試與其所對應之各項測試條件之 14 200905217 圖ί*為本發明中各電路單元間連接之示意圖 圖一為本發明中各電路單元與回饋網路之示意圖 圖四為本發明之—熱供給模組之電路圖 固為本4明之另一熱供給模組之電路圖 圖六為本發明中電壓供給模組之電路圖 圖為本毛明中成隙參考電壓電路之電路圖 圖八為本發明中_ Kujlk能隙參考電壓電路之電路圖 圖九為本發明中另-Kujik能隙參考電壓電路之電路 圖十為本發明中電流供給模組之電路圖 圖十一為本發明中包含濕度施加測試之各電路單元 連接之示意圖 a 圖十一為本發明中整合所有施加條件之電路圖 【主要元件符號說明】 1整合器 2 熱供給模組 3 電壓供給模組 4 電流供給模組 5 測試結構 6待測裝置 7 回饋網路 8分壓器 9接地端 1〇電流計 15 200905217 11雙載子接面電晶體 12 絕對溫度比例產生器 13 放大器 14場效電晶體 15 場效電晶體 16場效電晶體 17場效電晶體 18 場效電晶體 19 電流計 20 電流計 21 電流計 16