Những thế hệ chip mới với kích thước nanomet, mật độ transistor cao và lớp điện môi siêu mỏng đang khiến bài toán trở nên khó hơn trước rất nhiều. Nhiều cơ chế hư hỏng không xuất hiện ngay lập tức mà tích lũy dần theo thời gian dưới tác động của điện trường, nhiệt độ hoặc mật độ dòng điện cao.
Đó cũng là lý do các hệ thống kiểm tra cấp độ wafer, hay Wafer Level Reliability (WLR), ngày càng được sử dụng nhiều trong các phòng lab nghiên cứu bán dẫn và dây chuyền phát triển công nghệ chip hiện đại.
Vì sao ngành bán dẫn đang chuyển dần sang kiểm tra trực tiếp trên wafer?
Trước đây, nhiều phép kiểm tra độ tin cậy thường được thực hiện sau khi linh kiện đã đóng gói hoàn chỉnh. Cách này vẫn hiệu quả nhưng mất khá nhiều thời gian, chi phí và khó phản hồi nhanh nếu quy trình sản xuất xuất hiện lỗi.
Trong khi đó, kiểm tra trực tiếp trên wafer giúp phát hiện vấn đề sớm hơn nhiều trước khi bước vào giai đoạn đóng gói.
Các phép đo WLR cho phép kỹ sư:
- theo dõi sự suy giảm của transistor
- đánh giá độ bền lớp điện môi
- phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ và điện trường
- dự đoán tuổi thọ linh kiện trong điều kiện vận hành thực tế
Nhờ phản hồi dữ liệu nhanh hơn, quá trình tối ưu công nghệ cũng diễn ra hiệu quả hơn đáng kể, đặc biệt ở các dây chuyền bán dẫn cần phát triển cấu trúc transistor mới hoặc vật liệu mới.
WLR thường tập trung vào những cơ chế hư hỏng nào?
Một trong những điểm quan trọng nhất của WLR là mô phỏng các điều kiện ứng suất để quan sát cách linh kiện thay đổi theo thời gian.
Các phép thử thường tập trung vào những cơ chế gây suy giảm phổ biến trong transistor và liên kết kim loại.
Hiện tượng hạt mang điện năng lượng cao làm suy giảm transistor
Hiện tượng Hot Carrier Injection (HCI) xảy ra khi các hạt mang điện có năng lượng cao bị tăng tốc mạnh trong transistor và va chạm vào lớp điện môi cổng.
Sau thời gian dài, quá trình này có thể làm:
- dịch chuyển điện áp ngưỡng
- giảm độ dẫn tương hỗ
- thay đổi đặc tính hoạt động của transistor
Đây là một trong những phép kiểm tra quan trọng với các transistor kích thước nhỏ vì ảnh hưởng của điện trường trong linh kiện hiện đại lớn hơn trước rất nhiều.
Mất ổn định nhiệt độ và điện áp âm trên transistor PMOS
Negative Bias Temperature Instability (NBTI) thường xuất hiện trên transistor PMOS khi hoạt động ở nhiệt độ cao dưới điện áp phân cực âm trong thời gian dài.
Hiện tượng này khiến transistor thay đổi dần đặc tính điện theo thời gian và ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của chip xử lý.
Ở các công nghệ bán dẫn mới, NBTI gần như trở thành một trong những bài kiểm tra bắt buộc vì tốc độ suy giảm đôi khi diễn ra nhanh hơn đáng kể so với các thế hệ transistor cũ.
Dòng điện lớn có thể làm hỏng liên kết kim loại bên trong chip
Electromigration (EM) là hiện tượng các nguyên tử kim loại bị dịch chuyển dần do mật độ dòng điện quá cao.
Khi quá trình này kéo dài, đường dẫn kim loại có thể:
- tăng điện trở
- hình thành khoảng rỗng
- thậm chí đứt mạch hoàn toàn
Hiện tượng này đặc biệt đáng chú ý ở các chip mật độ cao hoặc linh kiện công suất lớn, nơi dòng điện tập trung mạnh trong các liên kết rất nhỏ.
Kiểm tra độ bền của lớp điện môi theo thời gian
Time Dependent Dielectric Breakdown (TDDB) tập trung đánh giá độ bền của lớp điện môi cổng dưới tác động điện trường trong thời gian dài.
Phép thử này giúp xác định:
- ngưỡng đánh thủng điện môi
- tốc độ suy giảm lớp oxide
- khả năng hoạt động lâu dài của transistor
Khi lớp oxide ngày càng mỏng hơn ở các công nghệ bán dẫn hiện đại, TDDB gần như trở thành một phần rất quan trọng trong quá trình đánh giá.
Hệ thống 4200A-SCS hỗ trợ nhiều phép đo trên cùng một nền tảng
4200A-SCS được phát triển như một hệ thống phân tích tham số bán dẫn dạng mô đun, cho phép thực hiện nhiều phép đo khác nhau trên cùng nền tảng phần cứng.
Hệ thống có thể xử lý:
- phép đo dòng điện điện áp
- phép đo điện dung điện áp
- phép đo xung tốc độ cao
Điểm tiện lợi là người dùng không cần thay đổi quá nhiều cấu hình khi chuyển giữa các bài đo khác nhau.
Trong các ứng dụng transistor kích thước nhỏ hoặc dòng rò cực thấp, hệ thống còn sử dụng các bộ nguồn đo có độ phân giải cao kết hợp cùng bộ lọc nhiễu nhằm giữ dữ liệu ổn định hơn ở dải tín hiệu rất nhỏ.
Module 4225 PMU giúp xử lý các phép đo xung tốc độ rất cao
Một khó khăn lớn trong các bài đo như NBTI là linh kiện có thể phục hồi rất nhanh ngay sau khi ngắt ứng suất.
Nếu tốc độ đo không đủ nhanh, dữ liệu thu được sẽ không còn phản ánh chính xác trạng thái linh kiện ngay tại thời điểm chịu ứng suất nữa.
Module 4225 PMU được phát triển để giải quyết vấn đề này bằng khả năng phát xung và đo ở tốc độ micro giây.
Hệ thống còn kết hợp cùng bộ khuếch đại từ xa 4225 RPM giúp:
- chuyển đổi giữa phép đo chính xác cao và phép đo xung tốc độ cao
- hạn chế thay đổi sơ đồ kết nối
- giảm ảnh hưởng của điện dung ký sinh trên dây cáp
Đặt bộ khuếch đại gần thiết bị đo cũng giúp dạng sóng ổn định hơn và giảm méo tín hiệu trong các phép đo tốc độ cao.
Phần mềm Clarius+ hỗ trợ tự động hóa khá nhiều bước đo
Đi kèm hệ thống là phần mềm Clarius+ với các thư viện kiểm tra được xây dựng sẵn cho:
+ HCI
+ NBTI
+ TDDB
Nhờ vậy, người dùng có thể tự động hóa khá nhiều bước trong quy trình Stress Measure thay vì phải thiết lập thủ công từng phép đo riêng lẻ.
Phần mềm cũng tích hợp công cụ Formulator để:
+ xử lý dữ liệu thô
+ tính toán tham số transistor
+trích xuất nhanh các giá trị đặc trưng sau phép đo
Hệ thống có thể mở rộng cho các bài kiểm tra wafer quy mô lớn
Ngoài các phép đo đơn lẻ, 4200A-SCS còn có khả năng kết nối cùng ma trận chuyển mạch nhằm thực hiện cấp ứng suất song song trên nhiều cấu trúc kiểm tra khác nhau ngay trên wafer.
Khả năng mở rộng này giúp:
+ tăng tốc độ kiểm tra
+ tối ưu thời gian vận hành phòng lab
+ phù hợp hơn với các môi trường nghiên cứu và phát triển công nghệ bán dẫn
Khi số lượng cấu trúc cần kiểm tra ngày càng lớn trên các wafer hiện đại, khả năng tự động hóa và mở rộng hệ thống gần như trở thành yếu tố rất quan trọng đối với các phòng nghiên cứu bán dẫn chuyên sâu hiện nay.
