晶圓老化測試：關鍵檢測項目概述

晶圓老化測試（Wafer Burn-In, WBI），也稱為晶圓級老化（Wafer Level Burn-In, WLBI），是半導體制造中一項關鍵的可靠性篩選工藝。其核心目的在于，在晶圓切割和封裝成單個芯片之前，通過施加加速應力條件，提前暴露并剔除那些具有潛在早期失效風險的器件。該測試主要聚焦于以下幾類檢測項目：

核心檢測項目

1. 電氣參數穩定性與漂移：

   • 關鍵參數監測： 在老化應力施加期間及之后，持續或定時監測晶體管和電路的關鍵直流（DC）參數和交流（AC）參數。
   • 主要關注點： 閾值電壓（Vth）、關斷態漏電流（Ioff, Ileakage）、飽和電流（Idsat）、導通電阻（Ron）、傳輸延遲（Propagation Delay）、各類工作電流（靜態電流 I_ddq、動態電流 Idd）等。
   • 檢測目標： 識別超出規格限的參數漂移或失效。例如，由負偏置溫度不穩定性（NBTI）或熱載流子注入（HCI）效應引起的Vth漂移過大，或者由柵氧缺陷導致的漏電流異常增大。

2. 功能性測試：

   • 向量測試： 在老化應力條件下，向電路施加預定義的測試向量序列（Test Patterns）。
   • 主要關注點： 驗證芯片的邏輯功能是否在老化過程中及之后依然正確。這包括執行全面的功能測試、存儲器測試（如SRAM, DRAM單元）、模擬/混合信號模塊測試等。
   • 檢測目標： 捕捉老化應力誘發的功能失效，如邏輯錯誤、存儲器單元失效（位翻轉、讀寫故障）、時鐘或復位信號異常、接口通信錯誤等。

3. 結構性測試：

   • 掃描鏈測試（Scan Test）： 利用芯片內部設計的掃描鏈結構，在老化前后執行測試。
   • 內置自測試（BIST）： 運行存儲器BIST（MBIST）、邏輯BIST（LBIST）等在老化過程中或老化后。
   • 主要關注點： 檢測由老化應力加劇或引發的制造缺陷（如金屬互連開/短路、接觸問題、柵氧薄弱點）導致的固定型故障（Stuck-at）、跳變故障（Transition）、路徑延遲故障（Path Delay）等結構性問題。
   • 檢測目標： 識別因老化而顯現或惡化的結構性缺陷，確保內部互連和單元結構的可靠性。

測試的核心要素（服務于檢測）

• 加速應力條件：
  • 高溫（Elevated Temperature）： 通常在125°C 至 150°C 甚至更高范圍，遠高于正常操作溫度，加速電化學反應和缺陷發展。
  • 過電應力（Electrical Overstress - EOS）： 施加高于額定工作電壓（V_dd）的電壓（如1.1x - 1.3x V_dd），增加電場強度，加速與電場相關的失效機制（如TDDB）。
  • 動態信號激勵： 在功能測試或結構測試期間施加高頻時鐘信號和開關活動，增加電路動態功耗和內部節點的切換頻率，加速與動態應力相關的失效（如HCI、電遷移）。
• 測試執行方式：
  • 并行測試： 利用探針卡上的眾多探針，同時對晶圓上的多個芯片（Die）施加應力并執行測試，提高效率。
  • 周期性監測（PMON - Periodic Monitoring）： 在老化過程中，定期暫停應力，執行較快速的參數測量或功能檢查。
  • 老化前/后測試對比： 在施加老化應力之前（Pre-BI）和之后（Post-BI）執行全面的晶圓驗收測試（WAT）和/或晶圓最終測試（WFT），比較關鍵參數和功能測試結果，識別在老化過程中退化或失效的器件。
• 失效分析與剔除：
  • 失效定位： 對于老化測試中失效的芯片，會記錄其位置和失效模式（參數失效、功能失效、結構失效）。
  • 物理失效分析（PFA）： 對于特定失效樣品，可能進行進一步的分析（如聚焦離子束顯微鏡FIB，掃描電鏡SEM，透射電鏡TEM）以確定根本失效機理。
  • 晶圓圖標記（Wafer Mapping）： 失效芯片的位置會被清晰地標注在晶圓圖上，以便在后續的切割（Dicing）和封裝（Packaging）工序中將這些潛在的早期失效體剔除。

總結

晶圓老化測試的核心在于通過施加高溫和過電（電壓/動態）應力，在晶圓級主動激發潛在的可靠性缺陷。其檢測項目緊密圍繞電氣參數穩定性、功能正確性以及結構完整性這三大方面。通過在嚴苛環境下監測參數漂移、執行功能向量測試和結構性掃描/BIST測試，該工藝能有效識別出那些可能在使用壽命早期發生故障的器件，從而顯著提升最終交付產品的固有可靠性和質量水平，是確保集成電路滿足嚴格壽命要求的關鍵環節。