CN101458285A - 可靠性测试的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种可靠性测试的方法和装置，所述方法包括：同时对所有被测器件施加应力条件；在解除对前一被测器件施加的应力条件、测量其性能参数和记录其测量数据后，解除对后一被测器件施加的应力条件、测量其性能参数和记录其测量数据，其中，第一被解除应力条件的被测器件的应力条件解除时间为预定的应力作用时间点。所述方法是被测器件在被解除应力条件后，性能参数的退化没有恢复前就被测量，因此，可以得到更准确的测量结果。

Description

可靠性测试的方法和装置

技术领域

本发明涉及半导体器件的可靠性测试的方法和装置。

背景技术

可靠性(Reliability)可以简单描述为产品在正常使用条件下，能顺利工作的使用寿命(Lifetime)，对半导体器件(例如MOS器件)进行可靠性测试是半导体集成电路的制造过程中的重要组成部分。为了在短时间内测得半导体器件的可靠性，通常会使用加速测试实验，即对半导体器件施加加速其性能退化(degrade)的应力条件(stress，是指比正常工作条件高的环境温度、湿度、电压、电流、压力等)，测量其性能参数，进而得到半导体器件在比正常工作条件更严格的工作环境下的使用寿命，再利用生命期模型(LifetimeModel)计算出产品在正常使用条件下的寿命。

通常，对多个半导体器件进行可靠性测试是以如图1所示的步骤进行：

步骤S10，对第一个被测器件(DUT，Device Under Test)施加应力条件，计算应力的作用时间。

步骤S11，在预定的应力作用时间点，解除对第一个DUT施加的应力条件。

步骤S12，测量并记录第一个DUT的性能参数。

步骤S13，判断是否达到预设的测试时间，若是，则进行步骤S14；若否，则返回到步骤S10。

步骤S14至S17，参考步骤S10至S13，对第二个DUT施加应力条件，测量并记录第二个DUT的性能参数。在测试完第二个DUT后，再测试下一个DUT，直到最后一个DUT测试完成。

上述可靠性测试的方法由于采用的是“一个被测器件接着一个被测器件测试(one DUT by one DUT test)”的方法，作用时间较长的应力条件是逐个施加在要被测量的DUT上，因而总的测试时间就会非常长。

为解决上述测试时间长的问题，申请号为200410051148.4的中国发明专利申请公开了一种半导体器件的可靠性测试项目，即热载流子注入(HCI，HotCarrier Injection)测试的方法，如图2所示：

步骤S20，同时对所有DUTs施加电压应力，计算电压应力的作用时间。

步骤S21，在预定的应力作用时间点，关断对所有DUTs施加的电压应力。

步骤S22，逐个测量并记录每个DUT的性能参数的退化量。

重复步骤S20至S22，直到性能参数的退化量达到需要的目标值时结束。

图2所示的方法适用于没有恢复效应(recovery effect)的可靠性测试项目，例如HCI测试，其是同时对所有DUTs施加电压应力，因而缩短了测试时间。但是，对于具有恢复效应的可靠性项目，例如负偏压高温不稳定性(NBTI，Negative Bias Temperature Instability)测试，采用图2所示的方法会影响测试的准确性。

具体来说，NBTI效应是指在高温条件下，当栅极加上负偏压时，MOS器件的特性会发生显著的退化，如饱和电流、亚阈值斜率和跨导的不断减小，以及阈值电压不断增加等。NBTI的一个重要特征就是其具有强的恢复效应，即在高温下对MOS器件的栅极上施加一段时间的负偏压后，如果将负偏压改成零偏置或者正偏置，器件的退化特性将会有很强的恢复。图2所示的方法是在预定的应力作用时间点，关断对所有DUT施加的电压应力，再逐个测量每个DUT的性能参数，在测量完第一个DUT后，后面的DUT由于不是在关断电压应力后立即进行测量，其性能参数的退化已经有了一定恢复，此时测量所得的结果就会不准确，并且，越是后面测量的DUT，离关断电压应力的时间越久，其测量的结果会越不准确。

发明内容

本发明解决的问题是，提供一种可靠性测试的方法和装置，以提高具有恢复效应的可靠性测试的准确性。

为解决上述问题，本发明提供一种可靠性测试的方法，包括下述步骤：

同时对所有被测器件施加应力条件；

在解除对前一被测器件施加的应力条件、测量其性能参数和记录其测量数据后，解除对后一被测器件施加的应力条件、测量其性能参数和记录其测量数据，其中，第一被解除应力条件的被测器件的应力条件解除时间为预定的应力作用时间点。

可选的，记录所述第一被解除应力条件的被测器件的测量数据包括记录被测器件的性能参数和测量时间，记录其它被测器件的测量数据包括记录被测器件的性能参数、测量时间和对应的应力作用时间。

可选的，所述记录被测器件的测量时间是记录所述被测器件测量完后的时间点；所述记录被测器件的对应的应力作用时间是将前一被测器件测量完后的时间点作为被测器件的对应的应力作用时间记录。

可选的，所述记录被测器件的测量时间是记录测量所述被测器件所使用的时间；所述记录被测器件的对应的应力作用时间是将该被测器件被解除应力条件之前的测量被测器件所使用的时间总和与预定的应力作用时间的和作为被测器件的对应的应力作用时间记录。

可选的，所述可靠性测试的方法还包括：在完成对所有的被测器件的一次测试后，对所有的被测器件再次进行测试，直到满足测试结束的条件。所述测试结束的条件是超过了预定的测试时间、超过了预定的测试次数、或者测量得到的性能参数达到了预定的目标值。

为解决上述问题，本发明还提供一种可靠性测试的装置，包括：

应力施加模块，与被测器件连接，对被测器件施加应力条件；

测量模块，与被测器件连接，，测量被测器件的性能参数；

记录模块，记录被测器件的测量数据；

控制模块，控制所述应力施加模块同时对所有被测器件施加应力条件，在控制所述应力施加模块解除对前一被测器件施加的应力条件、控制所述测量模块测量所述前一被测器件的性能参数和控制所述记录模块记录所述前一被测器件的测量数据后，控制所述应力施加模块解除对后一被测器件施加的应力条件、控制所述测量模块测量所述后一被测器件的性能参数和控制所述记录模块记录所述后一被测器件的测量数据，其中，所述控制模块在预定的应力作用时间点控制应力施加模块解除对第一被解除应力条件的被测器件施加的应力条件。

可选的，所述记录模块记录的第一被解除应力条件的被测器件的测量数据包括被测器件的性能参数和测量时间，所述记录模块记录的其它被测器件的测量数据包括被测器件的性能参数、测量时间和对应的应力作用时间。

可选的，所述被测器件的测量时间是所述被测器件测量完后的时间点，所述被测器件的对应的应力作用时间是前一被测器件测量完后的时间点。

可选的，所述被测器件的测量时间是测量所述被测器件所使用的时间，所述被测器件的对应的应力作用时间是该被测器件被解除应力条件之前的测量被测器件所使用的时间总和与预定的应力作用时间的和。

与现有技术先解除对所有DUTs施加的应力条件，再逐一测量各DUT相比，上述技术方案是逐一解除对DUT施加的应力条件，具体来说，在解除对前一DUT施加的应力条件，并测量其性能参数和记录其应力作用时间后，再解除对后一DUT施加的应力条件，并进行测量和记录，即DUT是在解除应力条件后，性能参数的退化没有恢复前就被测量，因此，可以得到更准确的测量结果。

另外，上述技术方案是同时对所有的DUTs施加应力条件，相较于现有技术中对DUT逐一施加应力条件来说，也缩短了总的测试时间。

附图说明

图1是现有的可靠性测试的方法流程图；

图2是现有的一种HCI测试的方法流程图；

图3是本发明实施方式的可靠性测试的方法流程图；

图4是本发明实施例的NBTI测试的方法流程图；

图5是图2所示的方法应用于NBTI测试与图4所示的方法的测量结果比较；

图6是本发明实施方式的可靠性测试的装置的结构框图。

具体实施方式

本发明实施方式是在测量DUT前才解除对其施加的应力条件，也就是说，解除施加在要被测量的DUT上的应力条件后，立即测量其性能参数并记录其实际的应力作用时间，因此可以得到准确的测量结果。本发明实施方式的可靠性测试的方法包括：同时对所有被测器件施加应力条件；在解除对前一被测器件施加的应力条件、测量其性能参数和记录其测量数据后，解除对后一被测器件施加的应力条件、测量其性能参数和记录其测量数据，其中，第一被解除应力条件的被测器件的应力条件解除时间为预定的应力作用时间点。所述记录第一被解除应力条件的被测器件的测量数据包括记录被测器件的性能参数和测量时间，所述记录其它被测器件的测量数据包括记录被测器件的性能参数、测量时间和对应的应力作用时间。

具体的一种实施方式如图3所示：

步骤S30，同时对所有DUTs施加应力条件。

步骤S31，在预定的应力作用时间点，解除对第一DUT施加的应力条件。

步骤S32，测量第一DUT的性能参数。

步骤S33，记录第一DUT的性能参数和测量时间。

步骤S34，解除对下一DUT施加的应力条件。

步骤S35，测量步骤S34所述的DUT的性能参数。

步骤S36，记录步骤S34所述的DUT的性能参数、测量时间和对应的应力作用时间。

重复步骤S34至S36，直到所有DUT的测量和记录完成。

上述步骤S33和S36中，记录DUT的测量时间是记录所述DUT测量完后的时间点，或者是记录测量所述DUT所使用的时间。对应的，步骤S36中，记录步骤S34所述的DUT的对应的应力作用时间是将前一DUT测量完后的时间点作为步骤S34所述的DUT的对应的应力作用时间记录，或者是将该被测器件被解除应力条件之前的测量DUT所使用的时间总和与预定的应力作用时间的和作为步骤S34所述的DUT的对应的应力作用时间记录。

在完成上述对所有的DUT的一次测试后，重复步骤S30至S36，对所有的DUT的再次进行测试，直到满足测试结束的条件，例如，超过了预定的测试时间或测试次数，或者测量得到的性能参数达到了预定的目标值。其中，步骤S31所述的预定的应力作用时间点根据实际测试的需要设定，例如1s、2s、5s、8s、10s、20s、50s、80s、100s、200s、500s、800s、1000s、2000s、5000s、8000s、10000s等等，每次测试的预定的应力作用时间可以相同也可以不同。

下面结合附图4和NBTI测试对本发明具体实施方式做详细的说明。在NBTI测试中，对DUT(即MOS器件)施加的应力条件是指高温条件下，在栅极加上负偏压，测量的DUT的性能参数包括饱和电流、阈值电压等。

步骤S40，在高温条件下，同时对所有DUTs的栅极施加应力电压。在施加应力电压前，先根据测试标准确定温度值(通常是比正常工作时的温度更高的温度)和应力电压值(即负偏置电压值)，将所有的DUTs的源极、栅极、漏极、衬底分别与测试设备的测量单元(SMU，Source and Measurement Unit)连接，测试设备的SMU既可以用于施加应力，也可以用于测量。然后，同时将对应于各个DUT的栅极的SMU与已确定电压值的负偏置电压接通，在接通电压的同时开始计算应力电压的作用时间和测试时间。

步骤S41，在预定的应力作用时间点，关断对应于第一个DUT的栅极的SMU与负偏置电压的连接。此时，应力电压对其余DUTs的作用仍然保持。本实施例中，设定第一次测试的预定的应力作用时间为10s，因此是在接通电压的10s后，关断对应于第一个DUT的栅极的SMU与负偏置电压的连接。

步骤S42，测量第一个DUT的饱和电流和阈值电压。通过对应于第一个DUT的栅极和源极的SMU改变第一个DUT的栅源极电压，通过对应于第一个DUT的源极和漏极的SMU测量第一个DUT的源漏极电流，从而可以得到第一个DUT的饱和电流和阈值电压。

步骤S43，记录第一个DUT的饱和电流和阈值电压，并记录测量第一个DUT所使用的时间。记录步骤S41测量所得的饱和电流和阈值电压，对于第一个DUT来说，步骤S41测量所得的饱和电流和阈值电压是对应于应力作用时间为10s(第一次测试的预定的应力作用时间)，测量所得的结果。另外，本实施例中，所记录的测量第一个DUT使用的时间为20s。

步骤S44，关断对应于第N个DUT的栅极的SMU与负偏置电压的连接。其中，N的初始值为2。

步骤S45，测量第N个DUT的饱和电流和阈值电压。通过对应于第N个DUT的栅极和源极的SMU改变第N个DUT的栅源极电压，通过对应于第N个DUT的源极和漏极的SMU测量第N个DUT的源漏极电流，从而可以得到第N个DUT的饱和电流和阈值电压。

步骤S46，记录第N个DUT的饱和电流和阈值电压，并记录测量第N个DUT所使用的时间和对应于第N个DUT的应力作用时间。记录步骤S45测量所得的第N个DUT的饱和电流和阈值电压，对于第N个DUT来说，对应于第N个DUT的应力作用时间为前面测量各个DUT所使用的时间总和与预定的应力作用时间点之和。举例来说，本实施例中，在第一次测试中，第2个DUT的饱和电流和阈值电压是在对第2个DUT的应力作用时间为30s(即20s+10s)，测量所得的结果；对应于第5个DUT的应力作用时间为测量第1、2、3、4个DUT所使用的时间总和与预定的应力作用时间之和。

步骤S47，N＝N+1，判断N是否大于DUT的个数，即最后一个DUT是否测量完，若是，则表示一次测试完成，进行步骤S48；若否，则进行步骤S44，继续对下一个DUT进行测量和记录。

步骤S48，判断测试时间是否超过了预定的最大测试时间，若是，则结束测试；若否，则继续下一次测试，进行步骤S40，同时将对应于各个DUT的栅极的SMU与已确定的负偏置电压接通，在接通电压的同时开始计算应力电压的作用时间和测试时间。本实施例中，在每次测试中，步骤S41、S43、S46中预定的应力作用时间不同，如第一次测试的预定的应力作用时间为10s、第二次测试的预定的应力作用时间为100s、第三次测试的预定的应力作用时间为1000s、第四次测试的预定的应力作用时间为10000s等等。

需要说明的是，上述步骤S43和S46中，记录的是测量DUT所使用的时间，因此，步骤S46中，记录对应的应力作用时间是将前面测量各个DUT所使用的时间总和与预定的应力作用时间的和作为对应的应力作用时间记录。如果步骤S43和S46中，记录的是DUT测量完后的时间点，则步骤S46中，记录对应的应力作用时间是将前一个DUT测量完后的时间点作为对应的应力作用时间记录。

另外，图4所示实施例是解除一个DUT的应力条件，并对其进行测量和记录后，再解除下一个DUT的应力条件。在其他实施例中，也可以是同时解除多个DUT的应力条件，并同时对所述多个DUT进行测量和记录后，再同时解除多个DUT的应力条件。

请继续参考图5，其是图2所示的方法应用于NBTI测试与图4所示的NBTI测试的方法的测量结果比较，其中，测量结果I50对应的是图2所示的方法，即同时对所有DUTs施加应力电压，在预定的应力作用时间点，关断所有DUTs的应力电压，再逐个测量DUT；测量结果I51对应的是图4所示的方法，即同时对所有DUTs施加应力电压，在预定的应力作用时间点，先关断第一个DUT的应力电压并进行测量，再逐个关断DUT的应力电压并进行测量；测量结果I50和I51都是对第N个DUT(即同一个DUT)测量饱和电流、并计算饱和电流退化ID的结果，并且预定的应力作用时间相同。

从图5可以看到，应力作用时间T越长，饱和电流退化ID的值越高，即NBTI会使MOS器件的饱和电流退化越快。但是，由于NBTI的恢复效应导致测量结果I50的退化量相较于测量结果I51的退化量要小，例如，在应力作用时间T为22s，第N个DUT的饱和电流退化的测量结果I50为1.2455％、测量结果I51为1.6559％，因为测量结果I50是在关断应力电压后一段时间才测量和计算得到的，其饱和电流有了一定的恢复(增大)，而测量结果I51是在关断应力电压后立即测量和计算得到的，因此测量结果I50的值小于测量结果I51的值。采用图4所示的方法的测量结果应该比图2所示的方法的测量结果更为准确。

对应于上述可靠性测试的方法，本发明实施方式还提供了一种可靠性测试的装置，如图6所示，所述的装置包括：应力施加模块60、测量模块61、记录模块62和控制模块63。

应力施加模块60，与DUTs连接，对DUT施加应力条件。所述的应力条件包括温度、电压、电流、压力等。

测量模块61，与DUTs连接，在解除对DUT施加的应力条件后，测量DUT的性能参数，如饱和电流、阈值电压等。

记录模块62，记录DUT的测量数据。

控制模块63，控制应力施加模块60同时对所有DUTs施加应力条件，在控制应力施加模块60解除对前一DUT施加的应力条件、控制测量模块61测量所述前一DUT的性能参数和控制记录模块62记录前一DUT的测量数据后，控制应力施加模块60解除对后一DUT施加的应力条件、控制测量模块61测量所述后一DUT的性能参数和控制记录模块62记录所述后一DUT的测量数据，其中，所述控制模块63在预定的应力作用时间点控制应力施加模块60解除对第一被解除应力条件的DUT施加的应力条件。

记录模块62记录的第一被解除应力条件的DUT的测量数据包括被测器件的性能参数和测量时间，记录模块62记录的其它DUT的测量数据包括被测器件的性能参数、测量时间和对应的应力作用时间。

所述DUT的测量时间是所述DUT测量完后的时间点，所述DUT的对应的应力作用时间是前一DUT测量完后的时间点；或者所述DUT的测量时间是测量所述DUT所使用的时间，所述DUT的对应的应力作用时间是测量前面DUT所使用的时间总和与预定的应力作用时间的和。。

综上所述，上述技术方案是在测量DUT前才解除对其施加的应力条件，也就是说，解除施加在要被测量的DUT上的应力条件后，立即测量其性能参数并记录其应力作用时间，因此，在被测量的DUT的性能参数的退化没有恢复前进行测量，就可以得到准确的测量结果。

另外，上述技术方案是同时对所有的DUTs施加应力条件，相较于现有技术中对DUT逐个施加应力条件来说，也缩短了总的测试时间。

对于有恢复效应的可靠性测试项目，例如NBTI测试，采用本发明实施方式所述的可靠性测试的方法可以得到更为准确的测试结果，当然，对于没有恢复效应的可靠性测试项目，例如HCI测试，本发明实施方式所述的方法同样也是适用的。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种可靠性测试的方法，其特征在于，包括下述步骤：

同时对所有被测器件施加应力条件；

在解除对前一被测器件施加的应力条件、测量其性能参数和记录其测量数据后，解除对后一被测器件施加的应力条件、测量其性能参数和记录其测量数据，其中，

第一被解除应力条件的被测器件的应力条件解除时间为预定的应力作用时间点。

2.根据权利要求1所述的可靠性测试的方法，其特征在于，记录所述第一被解除应力条件的被测器件的测量数据包括记录被测器件的性能参数和测量时间，记录其它被测器件的测量数据包括记录被测器件的性能参数、测量时间和对应的应力作用时间。

3.根据权利要求2所述的可靠性测试的方法，其特征在于，

所述记录被测器件的测量时间是记录所述被测器件测量完后的时间点；

所述记录被测器件的对应的应力作用时间是将前一被测器件测量完后的时间点作为被测器件的对应的应力作用时间记录。

4.根据权利要求2所述的可靠性测试的方法，其特征在于，

所述记录被测器件的测量时间是记录测量所述被测器件所使用的时间；

所述记录被测器件的对应的应力作用时间是将该被测器件被解除应力条件之前的测量被测器件所使用的时间总和与预定的应力作用时间的和作为被测器件的对应的应力作用时间记录。

5.根据权利要求1所述的可靠性测试的方法，其特征在于，还包括：在完成对所有的被测器件的一次测试后，对所有的被测器件再次进行测试，直到满足测试结束的条件。

6.根据权利要求5所述的可靠性测试的方法，其特征在于，所述测试结束的条件是超过了预定的测试时间、超过了预定的测试次数、或者测量得到的性能参数达到了预定的目标值。

7.一种可靠性测试的装置，其特征在于，包括：

应力施加模块，与被测器件连接，对被测器件施加应力条件；

测量模块，与被测器件连接，测量被测器件的性能参数；

记录模块，记录被测器件的测量数据；

控制模块，控制所述应力施加模块同时对所有被测器件施加应力条件，在控制所述应力施加模块解除对前一被测器件施加的应力条件、控制所述测量模块测量所述前一被测器件的性能参数和控制所述记录模块记录所述前一被测器件的测量数据后，控制所述应力施加模块解除对后一被测器件施加的应力条件、控制所述测量模块测量所述后一被测器件的性能参数和控制所述记录模块记录所述后一被测器件的测量数据，其中，所述控制模块在预定的应力作用时间点控制应力施加模块解除对第一被解除应力条件的被测器件施加的应力条件。

8.根据权利要求7所述的可靠性测试的装置，其特征在于，所述记录模块记录的第一被解除应力条件的被测器件的测量数据包括被测器件的性能参数和测量时间，所述记录模块记录的其它被测器件的测量数据包括被测器件的性能参数、测量时间和对应的应力作用时间。

9.根据权利要求8所述的可靠性测试的装置，其特征在于，所述被测器件的测量时间是所述被测器件测量完后的时间点，所述被测器件的对应的应力作用时间是前一被测器件测量完后的时间点。

10.根据权利要求8所述的可靠性测试的装置，其特征在于，所述被测器件的测量时间是测量所述被测器件所使用的时间，所述被测器件的对应的应力作用时间是该被测器件被解除应力条件之前的测量被测器件所使用的时间总和与预定的应力作用时间的和。

Images