新材料带来新可靠性问题
半导体器件可靠性一般分为两部分：早期失效和磨损机理。
早期失效是由生产缺陷引起。这些缺陷的来源一般和引起成品率损失的相同，因此检测这两者的仪器要求相似。
磨损失效机理是会最终造成器件失效的已知物理退化机理。对于可靠性保证工程师来说，挑战在于要确保退化率慢得足以把器件在规定使用寿命内失效的概率降到最低。
随着半导体器件向着更小外形尺寸、更紧密的封装（晶体管数/cm2）、更快的速度和更低功耗的方向发展，对用于检测其可靠性的仪器要求也变得更严格。
在许多情况下，技术的进步仅仅是现有工业趋势的继续，如向更薄的栅氧化方向发展。但新材料引入到工艺中还将影响仪器要求。
在大部分的工业历史中，半导体技术是建立在硅、二氧化硅和铝的处理基础上。由于我们正接近这些材料的根本极限，因此有许多新的材料在开发，这些材料可提高产品的性能和可靠性，但同时也必然包含需要加以解决的新增失效机理。
本文介绍了不久将有可能进入半导体工艺的一些新工艺或材料，讨论了这些变化对确保产品可靠性所需要的工艺监测仪器的影响。
1 氧化薄膜
随着氧化物变得越来越薄，可靠性保证工程师仍将需要更好地了解时间相关介质击穿（TDDB）现象。随着栅氧化厚度接近单层尺寸，TDDB研究将关注亚原子级的缺陷。
栅氧化中的缺陷不再考虑栅介质中的“薄点”，而是考虑介质中硅和氧化物原子的化学状态。假击穿栅或电容器的问题（即栅或电容器有泄漏但没有短路）也变得很重要。随着这些问题的发展，长期以来用于栅氧化研究的电压与电流斜升试验，其价值也变得越来越有限。假击穿状态的氧化物其漏电流的水平在皮安以下，许多较早的氧化物试验系统是无法监测到的。而与此同时，合理的成品率和低早期失效缺陷所要求的缺陷密度仍在继续下降。栅氧化缺陷在技术的发展中总是一个重要的方面，其中最重要的一个原因是因为今天的氧化物对较小的缺陷越来越敏感，而同时对更低缺陷密度的需求却在增长。随着氧化物对较小缺陷更敏感，在低电场下确定这些氧化物的特性的能力变得更关键。
小面积缺陷在变成硬短路前会吸引相对较小的电流。
这使他们在大型测试电容器中难以检测，陷阱辅助的隧道电流可轻易超过小面积缺陷中的漏电流。
研究表明，在一个相当于0.5 x 1.0µm栅10 %的面积中可把氧化厚度降低达50 %之多的缺陷，只吸引7.6 fA（3V）的电流，而陷阱辅助的隧道电流可达1pA/cm2。
在许多情况下，这样的缺陷明显是栅氧化缺陷的原因，但低隧道电流使这些缺陷在大电容器中进行测试时无法检测到。
这使电压斜升和恒定电流测试只有在这些缺陷变成硬短路后才能用于发现这些氧化物中的缺陷。
这些测试一般要依赖于非常高的电场来实现短测试时间；因此，他们会由于高电场的影响而增加不确定性。
用与一个大电容器面积相同的小测试电容器阵列可检测到小缺陷非常低的隧道电流，同时还保持较短的测试时间。
但这并没有解决栅氧化“缺陷”本质变化的问题。今天的缺陷在固体中的原子化学态很可能不同于宏观缺陷（如变薄或金属污染）时的状态。
因此检测最初的低漏电流不是衡量半导体器件可靠性的充分途径。对氧化物的老化必须进行研究。
同样，这种老化用低电场的低电流测量来研究要比高电场更容易，高电场会引起致命击穿。
图1表示了在依次增高的电场下，电流/电压在短（10秒）隧道电流应力下随氧化物老化而出现的变化。
从图中可看出：
l 缺陷的发展（曲线右边的Fowler-Nordheim蠕变）
l 氧化物中俘获电荷的变化（“电流交*点”的转移，从正电流转为负电流）
l 两个方向的陷阱辅助隧道电流随时间的变化情况。
这些测量与电压－击穿柱状图相比，对氧化物中随老化应力变化的特性更为敏感。确定小面积电容器的特性使我们有可能确定氧化物的潜在特性。测试这些电容器的大阵列就有可能检测和确定反常点缺陷的特性。
这些反常缺陷的小尺寸意味着用于检测他们的仪器必须提供千万亿分之一安培级的电流分辨率。
2 层间介质
互连线的寄生电容在确定半导体器件最大速度上起主要作用。
与此同时，层间介质对器件可靠性的影响也上升了。速度退化是个可靠性问题，它越来越依赖于层间介质的变化。
3 介质吸收
介质材料中的离子和双极子当暴露在电场下会在材料中扩散。这种电荷粒子的运动引起寄生互连电容器中的位移电流，改变了电容。
这一变化对半导体器件中的关键节点有明显影响。
最近的研究表明，在施加电压脉冲3秒后测量的位移电流只有15fA，它说明这一介质吸收效应可在10年中引起寄生电容10％的变化。
检测这一小电流的能力大大限制了能用于测量这一效应的仪器。
它要求要有千万亿分之一安培级的电流分辨率；而且寄生仪器介质吸收还必须大大低于以往可能的程度。
S600系统引入了前端的皮可安培计（每针设计）。这一设计消除了传统测试仪设计固有的介质吸收，因为传统测试仪有标准探测卡、开关矩阵、从探测卡到矩阵的电缆和从测量仪器到开关矩阵的更多电缆。（见图2）
4 k漂移
低k介质材料有时在测量介质常数（k）与时间、温度的关系时会出现漂移。这种漂移可影响产品的速度，将来器件在高速的时候有时会失效。
速度退化是由某些低k介质中出现的化学变化造成。引起这一k退化的化学反应速度可在高温下加速。
圆片的高温老化由于探测器和热夹头的热膨胀问题而较为困难。但在小测试结构中由于自加热方法，很容易形成高温。
在一个聚合（poly）电阻器顶上的交指型金属电容器中，电流被强制流过聚合电阻器，造成聚合线的焦耳热。金属线的温度用聚合加热器低边缘上的长蛇形金属线来测量。通过测量电流强制流过聚合加热电阻器时的金属线电阻变化就可测出温度。
电阻的变化除以金属的TCR(电阻的热系数)就提供了金属线的温度。
通过加热电阻器的电流一直斜升，直至金属电阻器表现出相当于规定应力温度(一般为450－500℃)的电阻变化时为止。
电容器老化一段时间（一般为30－120秒），然后冷却到室温。这一测试结构的小热质量使其能够在不到1秒的时间内加热到500℃，在不到5秒的时间内冷却到室温。冷却后，就可计算交指型电容器的电容变化和k的变化。
驱动自加热电阻器所需要的电流量一般在150到200mA之间。这既提供了这种技术所需的动力而又不超过探测器的电流极限。
测量温度的变化要求能够测量金属TCR电阻变化的仪器（如Cu的TCR是0.36％/℃，因此仪器必须能够解决电阻0.36％的变化）。
这种测量由于以下的事实而变得复杂，即金属线通常电阻较低，能强迫通过它的电流必须小于引起焦耳热的电流。
对0.2µm宽和200µm长的金属线，如果其薄片电阻系数为0.05欧姆，在厚度为2mm、热电阻为0.022℃/瓦特/µm/cm2的氧化物上，金属温度计上的最大电压降是11mV。
因此测量分辨率达1℃的线温度变化要求仪器分辨率达11mV的0.36％或40µV。
电容器的尺寸受以下事实的限制，即能强迫通过一个探针的电流是有限的。
当多个探测垫片可连接到一个半加热的电阻器上时，就可大大增加进行这种测量所需要的硅面积。
电流的限制局限了自加热电阻器的宽度，因为要达到任何特定的温度需要一定的功率密度。
如果测试结构的设计能够配合到典型的划片线，而加热器电流限制在能安全地迫使其流过一个探针的水平，则测试结构的电容会非常有限。
交指型电容器的电容如果其周长为1500µm、间隔为0.2µm、金属线厚度为0.5µm，k为3.0，则会产生约100fF的电容。
如果要得到解决这一参数1％漂移的能力，仪器就必须能够解决电容测量值1 fF的变化。
5 铜金属问题
降低与金属互连线有关的寄生RC延迟的努力使企业从传统的铝互连技术线转向使用铜基的金属化。
Cu基金属线的薄片电阻系数可达到Al基金属系统的一半。但转向使用Cu要求新的工艺步骤，并会出现一些与之有关的新的可靠性风险。
5.1 铜扩散到SiO2
在正常工艺温度下Cu很容易扩散到SiO2中，它增加了金属的电阻系数，降低了相邻金属线之间的绝缘。
为防止这一现象，大多数的Cu工艺（如双镶嵌工艺）在Cu和任何SiO2之间增加了一个难熔阻挡金属层（如Ta、W或TaN），电阻率比Al大。对于非常窄的Cu线，这会成为非常重要的问题。
厚阻挡层会使金属线的电阻高于Al线。因此阻挡层的厚度必须降到最小。
同时，阻挡层上的裂纹或孔洞会使Cu扩散到相邻介质材料中，引起漏电流。
这就是所谓的“窄工艺窗口”，它要求进行认真的工艺控制来提供高速性能，同时又不会在每10000个器件中产生几个缺陷（10 FIT可靠性）。
阻挡层的缺陷通过最小间隔金属线之间的漏电流最容易检测。如果金属线之间的间隔为0.2mm，用前一个例子中描述的交指型电容器，则侧壁电容器的面积是750µm2。
如果在介质上施加7.5MV/cm的电场（150V），则Fowler-Nordheim漏电流约为3.7 x 10-16 A (0.37 fA)。
但如果存在一个缺陷使介质厚度在2 µm2的面积中降低50％，则通过缺陷的漏电流为72pA。
因此仪器应能够产生足以在最小金属间隔之间产生至少7.5MV/cm电场的电压。如果必须检测较小的缺陷（没有达到把氧化物厚度降低50％的程度），则电流敏感度必须要大于72pA值（如例子中所示），否则就要提高强迫电场。
在150V检测25％缺陷的能力要求在2 µm2的面积内检测一个缺陷中7.5 fA漏电流的能力。
5.2 Cu电迁移
Cu金属线初步电迁移测试的结果表明，Cu金属线在电迁移应力下电阻变化率约为类似应力下Al线变化率的10分之一。
这使我们认为，Cu对电迁移失效的固有敏感度要低于类似应力下的Al线。但Cu有一个方面的敏感度是Al基技术所没有的。
在镶嵌工艺中，Cu电镀到难熔金属线沟内，然后涂上一层氮化硅薄膜。Cu与氮化硅的粘合度不强。
当金属线发生电迁移时，金属原子倾向于在线的正偏压端累积。这种累积对金属线产生了与电流密度成正比的压力。
如果应力下的线较宽，与另一个宽Cu线有最小间隔，则明显的张应力也较宽，与另一宽Cu线有最小间隔，显著的张应力就会传递到分开两条线的小氧化物层上。
这可导致氮化硅从金属线之间的氧化物上剥离，造成两个金属线之间短路。
Cu电迁移的早期试验报道了由于相邻短路所造成的显著失效率。电迁移试验结果由于高应力温度下的金属热膨胀和金属线产生的最终应力与应力电流密度之间的关系而更令人困惑。
因此，高加速电迁移试验如果通过使用条件应力实现最终应力小于氧化物的断裂强度，则会导致层间氧化物失效的悲观预测。
这种关系到目前还没有完全研究到这一方面。但确实有可能电迁移应力会引起侧壁介质的失效。
与某些低k介质材料有关的机械强度下降可增加这种断裂的频率。
用焦耳加热可快速测试侧壁氧化物的强度。Cu的热膨胀系数为16.2 ppm/°C。SiO2的热膨胀系数接近0.3 ppm/°C。
强迫一个高电流通过线来加热可引起其膨胀，对周围氧化物层产生张应力，形式类似于用加速电迁移测试。
线的温度可通过线电阻变化来测量。线加热产生的应力可根据尺寸和温度的变化来计算。
通过快速电流斜升和线电阻/温度的一致测量，加上检测相邻金属线漏电流的能力，就可测量侧壁介质的强度。这可成为Cu金属化的重要工艺控制变量。
进行这种测试的仪器必须能够给线提供显著的电流密度。
在5 µm（越宽的线意味着更多应力）Cu金属线上，如果薄片电阻系数为0.025 ohms，处于热电阻为0.022°C/Watt/µm/cm2 的0.5 µm的氧化物上，则100°C的焦耳热要求略小于300 mA的电流。
把温度升高到200°C要求约360mA的电流。（记住线电阻会随着线温度的升高而增加，引起更大的功率耗散）。
这种测量要求多个探测垫片用于强迫电流，但它能够在几秒的时间内提供侧壁氧化物的强度测量。进行这种测量的仪器必须能够提供至少半安培的电源，以至少1mV的分辨率测量电压。
6 结论
评价现代半导体技术可靠性的仪器必须比几年前使用的仪器有更好的性能。随着我们接近制造器件所用材料的根本极限，允许制造可靠材料的工艺包装变得更加紧密。控制0.18到0.1µm的工艺将需要测量1fA或更低的电流能力，以生产可靠的栅介质和层间介质层。
而且，现代的仪器必须降低仪器本身造成的寄生介质吸收效应。
更低电阻系数材料（如Cu）的发展将要求更高的电流源能力。0.5－1A的电流对确定Cu材料的可靠性和Cu与层间介质层之间的相互作用将非常有用。
Cu与SiO2之间的相互作用产生了对高电压能力的需求
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