随着半导体器件尺寸的缩小和变得越来越复杂，制造厂有必要使用更多的参数来监测和控制生产工艺。到今天，制造厂要对数千个参数进行监测，而这一数字还在扩大。

由于这些技术趋势，制造厂越来越多地应用圆片级可靠性（WLR）测试方法。WLR测试是一个统计工艺控制工具，通过参数测试收集数据来发现工艺中可降低长期器件可靠性的异常情况。

这类测试是对圆片上专门的试验结构施加高水平的应力，并测量这一应力引起的退化。这类测试有时是要让结构达到失效点，但不影响圆片的其他部分。

对结果要根据预先规定的试验时间和应力水平来进行解释，以发现生产过程中异常变化的来源。

WLR测试的重要性也日益增加，因为它可减少鉴定新产品和工艺所需要的传统应力试验量，有助于缩短新的生产设施的启动时间（现在费用为数十亿美元）。

WLR测试还作为持续测试工具，在世界上60多个不同的制造厂使用，这些厂生产各种MOS、CMOS和双极技术的器件。实际上任何半导体器件都能适应WLR测试，它可从仪器方面帮助制造厂快速地达到规定的成品率和其他生产目标。

WLR可降低制造厂对工艺开发周期中早期进行的传统应力试验的依赖，从而缩短试验周期和启动时间。传统应力试验要花数百或数千小时才能提供有关圆片工艺情况的反馈。而WLR测试几乎可马上提供可靠性信息，因为它是实时在线进行的。

1.  WLR和参数测试方法

WLR和其他参数测试的区别在于寻找的数据类型和使用方式不同。大多数目前的参数测试都与工艺控制监测有关，用以维持或提高成品率。为此，参数测试收集的数据与半导体产品在刚生产后或一组工艺步骤后的性能有关。受试器件（DUT）的模拟是在没有应力的情况下进行。而WLR测试则要施加高水平的应力，以加速DUT的响应，在统计上进行解释就可显示圆片上生产的器件的长期性能。

两种测试的共同之处在于都使用专门的测试结构，对测试结构进行探测以收集数据。两者都用自动参数测试系统和高速算法来加速数据的收集。

WLR测试系统包括两个部分：测试结构（形式为GDSII或CIF设计文件）和测试这些结构的算法。

成品率和可靠性问题通常是由不利的工艺相互作用所引起。WLR测试尝试通过测量电参数的退化来发现这些相互作用。实际上，WLR测试数据结合了测试点前一组工艺步骤的结果，即影响器件可靠性的工艺过程。

因此，把WLR测试作为在线生产监测多个位置的组成部分有增加的趋势。

WLR测试应用的增加是现在使用更多类型的参数测试来帮助控制前端工艺这一趋势的自然延伸。这些试验计划有助于制造厂主动计划持续工艺改进。

发现工艺的变化和消除这些变化的来源可使潜在缺陷在产生故障产品之前得到发现。如果工艺没有变化，那就只有一种相互作用的影响，即生产出良好的产品。

2. 可靠性试验模型的比较

WLR测试结果和传统可靠性应力试验数据之间的相关性是可以建立的。

例如，在产品开发早期进行的应力试验是用于估计新半导体器件的失效率，以确保他们能够满足用户的长期可靠性目标。这类应力试验要花数周或数月的时间，不适合工艺监测。

但WLR测试可用于测量这些接受较长时间试验的相同器件的“退化率”。

WLR测试的结果是受试器件“退化率”的统计特征。后面的产品就可以只用快速的WLR测试来监测。

只要用WLR测试确定的“退化率”是在长期试验发现的统计分布内，那么当前产品的可靠性应该与以前接受长期试验的样品相同。

但如果当前的产品批有不同的“退化率”，就可能不会表现出与初次试验所验证的相同可靠性水平。

对这一材料就应进行检查，以确定这一不同退化率的原因（好的或坏的）和为产生最少变化所作的修正过程。

在使用寿命试验中，使用的是完成产品。规定的假设条件是：产品样品是从一致的工艺过程来选择，失效机理主要与时间相关的应力条件有关，例如施加电场和温度。

这种试验方法不是想建立失效机理与工艺变量之间的关系；因此它提供的修改是采取产品设计变化或应用限制的形式。

这种可靠性试验模型有多个缺点。
（1） 失效机理可能真的是过程变化的结果(即工艺是不一致的)。
（2） 使用寿命试验费用昂贵，耗时长，需要数百或数千小时。
（3） 在试验完成产品时，要区分装配和封装的效应与其他工艺变量的效应是困难的，甚至是不可能的。
（4） 它不提供生产过程的实时信息。

相反，WLR测试是把重点放在时间相关失效及其在工艺变化的来源上。它可反映半导体企业当前的成熟程度及其有关时间相关失效的知识主体。
因此WLR方法在开头要形成对主要失效机理的全面了解。有了这种了解，就可产生多个工艺过程和失效机理的测试结构和算法，发现能导致长期可靠性问题的变化。

3. WLR测试要求

WLR测试需要结合敏感、高速的参数测量和有效的测试结构。测试结构设计必须建立在“失效物理”专门技术的坚实基础上。特别是，要为有效的WLR测试产生结构和算法，要求把每个失效机理分割到基础材料和与失效有关的工艺参数上。

例如，接触/通孔可靠性可受电迁移、结尖峰、应力移动效应和薄膜介质污染的影响（全部都与多工艺变量有关）。因此合适的测试结构组应具有多个器件，以便检测这些不同的失效机理和工艺问题。单个接触或通孔链不会对全部机理都敏感。

例如，结尖峰测试结构可用于检验铝溶解接触上的硅的趋势。

电迁移测试结构可用于监测铝晶界或界面自扩散的速率。

另外，各种接触或通孔链可用于测量工艺问题（如分步覆盖、低密度平面化氧化层上的潮气释放、自污染效应或在某个几何外形上过度刻蚀）的影响。

因此，测试结构是实际半导体器件或一组工艺步骤产生的其他物理结构的代用品。测试结构可放置在半导体圆片上作为“混入品（drop-in）”，放在功能芯片通常放置的地方。

或者也可把他们放在圆片划线上，即功能芯片之间确定分离最终器件的钻石切割线。后者的方案可节省用于圆片上用于功能器件的可用空间。

另一方面，用混入品大大增加了扩展测试结构数量和面积的机会，它可对受监测工艺提供更全面的评价。

4. 测试结果的应用

对测试结构进行探测，执行WLR测试算法，方式与其他参数测试类似。一般来说，参数测试仪通过探测器施加恒定的DC电压或电流、或低频率AC信号。然后测量产生的电压、电流或电容。对足够数量的圆片和试验位置进行测试后，就可获得参数测量值的统计分布。

测试结果可用于预计生产厂某个批产品满足圆片上器件可靠性要求的概率。这是通过测试数据的当前分布与接受鉴定测试的初次产品批获得的分布进行比较来完成的。

如果当前的结果是在产品批以往经验的范围（统计极限）以外，那么工艺工程师就必须找出原因，对工艺进行分析。

用这种方法，工程人员就可针对可靠性失效的预防进行工艺的调整，通常不需要采取另一轮2000小时的应力试验。

实际上，WLR测试提供了一个受测工艺的单点校准检查。更重要的是，它还提供了监测器件、确保长期可靠性的新计划。

毫无疑问，WLR不应用于鉴定新材料或工艺。用于外推失效率的现有经验模型从2秒测试外推20年的寿命是不够准确的。

但WLR测试应该成为鉴定计划的一部分，以确保新工艺中没有引入相互作用效应。

例如，如果引入新金属，鉴定程序必须证明新的材料至少和老的一样可靠。

鉴定过程还必须证明，新材料给金属刻蚀工艺过程带来的变化不会产生其他问题。例如，在去掉外来金属后暴露的氧化物过度消耗，会引起层间介质的问题。

它还必须证明，新的工艺不会带来明显的流动离子污染，不会因工艺感应的电荷而对栅氧化造成损坏。WLR测试可用于回答这些问题。

再以上面的例子为例，可以假设新金属工艺不会改变层间氧化缺陷的数量、流动离子污染量或栅氧化的可靠性。WLR测试可通过比较新材料的快速WLR结果和历史数据分布来检验这些假设。如果测试结果没有变化，则失效机理没有受新工艺的影响。

当然，引入新材料是个重大的变化，工艺工程师要了解这种变化的影响。WLR不是估计变化定量效应的工具。但它可用于验证是否产生了变化。因此它可检测工艺内的相互作用效应。

5. WLR测试的好处

WLR方法和抽样老练工艺监测相比有几个好处。WLR测试最明显和直接的好处是能够提供实时信息。这是因为使用了自动参数测试仪来收集线内数据的结果。因此有关工艺结果及其对可靠性潜在影响的反馈可以马上得到。

WLR测试提供了定量的测试结构和参数，而不仅仅是失效率。因此一般在WLR测试之后不需要增加失效分析。老练失效要求深入、困难的失效分析来确定失效的原因。

老练试验一般受随机缺陷的影响，因为受测元件是产品芯片，比小型的WLR结构面积大得多。

但产品的缺陷密度是在每生产批的每个圆片上作为功能测试的一部分进行的。

低成品率圆片或批可能表现出更高的缺陷密度，因此在可靠性测试中有更高的产品错检率。缺陷密度监测可在成品率分析中进行，不需要老练。

从这个角度来看，老练试验可发现装配工艺引入的缺陷。WLR测试不能检测到这类缺陷。但监测装配中的成品率损失是处理缺陷密度问题最有效的方法。

另外，可建立装配领域本身的工艺控制计划（如焊接拉力试验，检查球焊中金属间化合物的形成），以检测有关封装装配的真正的磨损失效机理。

和长期的应力试验相比，WLR提供更多数据、更快速，一般也更详细。另外，对功能芯片没有损坏，而老练和某些其他类型的测试则会发生损坏。

最后，WLR结合成品率监测可降低批抽样老练带来的时间量和费用。

采用WLR测试获得的好处包括：

（1） 实时工艺监测

（2） 持续工艺改进

（3） 提高成品率

（4） 降低现场失效率

（5） 减少测试费用

（6） 加快新产品进入市场的时间。

6. 制造厂测试趋势

制造厂、APT系统制造商和辅助软件供应商之间更紧密的合作将进一步加速WLR测试的使用。

这些组织都认识到，利用其他组织的信息可产生和获得参数测试所带来的最大好处。

制造厂利用其在仪器、测试结构和算法的设计方面的专门技术，可提供有关已知工艺敏感度的信息。例如，测试结构设计师必须遵守制造厂有关受测圆片的设计原则。

同样，APT系统制造厂可提供测试算法的详细信息，把协议结合到制造厂的工艺线中。

APT/WLR测试数据还必须结合到制造厂的数据库中，成为工厂整个工艺历史的一部分。这需要专门设计的软件才能把数据提供给需要的所有人，包括工艺工程师、器件设计师、电路设计师、测试工程师和设计测试结构的人。

和现有的数据库相比，新的数据可用于对器件设计和制造厂工艺进行调整。

7. 未来的发展

以应力为主导的经典可靠性方法将继续用于评价新的工艺，确认新的失效机理或已知失效机理的变化情况。WLR将利用传统试验提供的知识来设计新一代圆片工艺的新结构。

WLR将继续发展，使制造厂能满足需求应用所要求的质量水平。