嵌入式EPROM數(shù)據(jù)保持能力評(píng)估方法優(yōu)化

徐海濤，王智勇

（1.無(wú)錫華潤(rùn)上華科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214028；2. 蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院微電子系，江蘇 蘇州 215021）

1 引言

在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的產(chǎn)品評(píng)估過(guò)程中，可靠性評(píng)估占有重要的地位。在FAB中開(kāi)發(fā)生產(chǎn)EPROM的晶圓時(shí)，當(dāng)前期的工藝、設(shè)備穩(wěn)定后，EPROM的功能性測(cè)試成品率已經(jīng)達(dá)到較高水平后，數(shù)據(jù)保持能力的評(píng)估就擺到了首要的位置。如何有效、經(jīng)濟(jì)、快速地評(píng)估，對(duì)晶圓廠緊跟市場(chǎng)、獲取較高利潤(rùn)有直接的影響。由于存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)丟失的機(jī)理不同，往往在實(shí)驗(yàn)的后半程才發(fā)現(xiàn)失效，晶圓廠需重新投片、評(píng)估，往往半年到一年的時(shí)間都沒(méi)有完成。數(shù)據(jù)保持能力評(píng)估方法的效率高低，往往能夠決定這個(gè)項(xiàng)目從開(kāi)發(fā)到量產(chǎn)的周期。項(xiàng)目能夠盡早開(kāi)始盈利，是每一個(gè)晶圓廠技術(shù)研發(fā)部門(mén)追求的目標(biāo)。

要使產(chǎn)品滿足數(shù)據(jù)保存“常溫下20年/85℃下10年”的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，必須進(jìn)行老化測(cè)試。為了提高評(píng)估效率，往往會(huì)在不同的高溫下進(jìn)行加速老化并進(jìn)行驗(yàn)證，150℃/1000h和250℃/24h是業(yè)界常用的方法。如何盡快找到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的問(wèn)題并采取最終的評(píng)估原則是儲(chǔ)存器開(kāi)發(fā)階段的關(guān)鍵工作。其中，確定產(chǎn)品失效中的重要參數(shù)——激活能，是一項(xiàng)重要工作。

0.18μm工藝的EPROM從項(xiàng)目引進(jìn)開(kāi)始到芯片級(jí)（CP）測(cè)試良率達(dá)到85%后，隨后進(jìn)行數(shù)據(jù)保持（DR）可靠性測(cè)試。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)在150℃/1000h后數(shù)據(jù)保持測(cè)試始終是通過(guò)的，而在250℃/2h后，數(shù)據(jù)開(kāi)始有明顯的丟失。針對(duì)各種失效情況，工藝開(kāi)發(fā)部門(mén)做了一些工藝改進(jìn)，使之能夠在250℃下保持到8h~12h時(shí)出現(xiàn)失效。如何確定老化溫度，提高測(cè)試效率（即引入合適的加速因子如24h，確定評(píng)估原則）就成為首要的工作。

2 評(píng)估測(cè)試原理介紹

在可靠性實(shí)驗(yàn)中，加速因子的引入對(duì)可靠性評(píng)估極為重要。產(chǎn)品壽命根據(jù)Arrhenius公式可以表示為[1]：

其中k為波爾茲曼常數(shù)（8.617×10-5eV/K），T為工作絕對(duì)溫度，A為一時(shí)間常數(shù)，Ea為激活能。在同一批次產(chǎn)品中，A、Ea為一常數(shù)，與產(chǎn)品失效機(jī)制有關(guān)，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。由公式（1）可得結(jié)論一：Ea越大，產(chǎn)品的壽命越長(zhǎng)，越不易失效。

為確定某一批產(chǎn)品在某一溫度下的壽命（通常指一批產(chǎn)品的平均壽命），進(jìn)而求得加速評(píng)估溫度，需確定A和Ea。通常采用以下方法：定義熱加速因子TAF，

T1、T2為加速溫度（如85℃、150℃）。由（2）式得到結(jié)論二：激活能越大，溫度加速因子TAF也越大；在同樣的加速溫度下，在同樣的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有失效，更能夠保證85℃下的壽命，加速試驗(yàn)效果越明顯。圖1所示為兩個(gè)不同Ea下的壽命曲線。可見(jiàn)Ea小的電流下降速率快，說(shuō)明加速老化條件下其失效也快。Ea理論上是一常數(shù)（假設(shè)所有bit的狀態(tài)都一樣），由不同溫度下測(cè)試的預(yù)估壽命可以得到Ea，由公式（2）知老化溫度差值越大，TAF越大。

圖1 兩個(gè)不同Ea下的壽命曲線

TAF由要求達(dá)到的壽命的比值確定（即理想值），算出來(lái)的Ea是理論計(jì)算值。將算出來(lái)的Ea值代入公式（1），可以得到A。

例如，用150℃/1000h的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估在85℃下保存1 0年的激活能，可根據(jù)公式（2）首先計(jì)算出TAF=365×10×24/1000=87.6，進(jìn)而得到理論計(jì)算值Ea=0.898eV，A=常量。同時(shí)，我們看到，老化溫度越高，壽命越短。老化溫度T2>150℃時(shí)，TAF>87.6，產(chǎn)品壽命更短；假如該溫度下產(chǎn)品仍然可靠，則在150℃/1000h時(shí)產(chǎn)品必然是可靠的，更能滿足85℃下10年的要求。

如何確定最終的理論加速老化溫度呢？在產(chǎn)品評(píng)估的初期150℃/1000h下的標(biāo)準(zhǔn)能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量。在批量生產(chǎn)時(shí)，鑒于生產(chǎn)控制和成本的考慮，加速老化時(shí)間一般設(shè)為24h（該老化時(shí)間是優(yōu)化的目標(biāo)），同樣可計(jì)算得到TAF=1000/24=41.67，T1=150+273=423，將求得的Ea=0.898eV代入公式（2），可以求得理論加速溫度T2=225℃。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，TAF由實(shí)際測(cè)得的壽命決定，算出來(lái)的Ea稱為實(shí)測(cè)值。比較理論值和實(shí)測(cè)值的大小可以判斷該產(chǎn)品壽命是否符合要求，實(shí)測(cè)值大于理想值時(shí)，產(chǎn)品是合格的。實(shí)際計(jì)算加速老化溫度時(shí)，要以實(shí)測(cè)的Ea為準(zhǔn)。

實(shí)際工作中，IC產(chǎn)品可靠性評(píng)估通常是以最差的情況來(lái)衡量的，所以找出最差的Ea是一個(gè)重要的任務(wù)。當(dāng)Ea>0.898eV時(shí)，150℃/1000h的評(píng)估已經(jīng)足夠了。

已測(cè)定的不同電荷漏電機(jī)制對(duì)應(yīng)的激活能如表1所示。通常DR失效模式包含多種模式，必須設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)去確定激活能，從而發(fā)現(xiàn)其失效模式。

表1 常見(jiàn)的失效模式和激活能

3 實(shí)驗(yàn)方法

由基本器件物理知識(shí)知道，存儲(chǔ)單元的閾值電壓Vt反映了EPROM浮柵的數(shù)據(jù)保持能力。Vt的變化導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電路中源漏電流的變化，它們之間呈線性關(guān)系。

因此，可以通過(guò)測(cè)量開(kāi)關(guān)電路中源漏電流的變化來(lái)檢驗(yàn)存儲(chǔ)電荷丟失的情況。通過(guò)測(cè)量來(lái)確定激活能，發(fā)現(xiàn)失效原因，進(jìn)而確定評(píng)估原則（即使用什么加速因子）。

如何確定產(chǎn)品在某一加速老化溫度下的壽命（即失效時(shí)間）呢？通常認(rèn)為，源漏電流與老化時(shí)間之間呈負(fù)線性關(guān)系；低于某一大小的電流，即可判為電路失效，從而可以確定該溫度下的壽命。一般可以根據(jù)所測(cè)的若干個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用線性規(guī)劃來(lái)求得。Excel軟件提供了該功能，可以方便地得到。本實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)特性，以源漏電流低于6 μ A為失效標(biāo)準(zhǔn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 平均激活能

取EPROM的2000個(gè)單元的源漏電流平均值，評(píng)估在溫度150℃和200℃時(shí)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，擬合規(guī)劃圖如圖2所示。

表2 不同老化溫度下源漏電流隨老化時(shí)間的變化

圖2 擬合規(guī)劃圖

對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性規(guī)劃，壽命的規(guī)劃擬合結(jié)果為：5371h（150℃）和326h（200℃）。規(guī)劃擬合結(jié)果也在表2中示出。

由此二數(shù)據(jù)，再根據(jù)公式（2）可計(jì)算得到Ea=0.97eV，可見(jiàn)其大于之前的的理論計(jì)算，從評(píng)估方法來(lái)講，已經(jīng)能夠滿足。

同時(shí)根據(jù)公式（1）對(duì)壽命進(jìn)行指數(shù)規(guī)劃，確定待定的系數(shù)A=2×10-8，由此計(jì)算得到不同溫度下的平均壽命數(shù)據(jù)為：48 949.4年（25℃）、89.7年（85℃）、25.5年（100℃）?？梢?jiàn)該數(shù)據(jù)滿足85℃下10年的要求。

圖3 壽命數(shù)據(jù)圖

4.2 最差激活能

評(píng)估的第一個(gè)階段，是先用250℃/168h的條件來(lái)評(píng)估，中間可以采樣6h、12h、24h、48h、168h。如果在較短時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重，可以用紫外線擦除后寫(xiě)入數(shù)據(jù)，再在150℃下進(jìn)行評(píng)估，可以得到一個(gè)較小的Ea。與表1列出的典型值相比較，往往對(duì)工藝改進(jìn)有幫助。

如果150℃/1000h可以通過(guò)，而250℃/24h不能通過(guò)，同樣可以計(jì)算Ea，利用Ea反推合適的溫度作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

選取6組（每組3個(gè)存儲(chǔ)單元，該3個(gè)單元在室溫下所測(cè)源漏電流盡可能相等，從而表明其可比性）存儲(chǔ)單元進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)失效的判別原則，以大于6 μA輸出為0，小于6 μA輸出為1，來(lái)評(píng)判是否有足夠的電荷保留在柵級(jí)上。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

250℃/12h后的源漏電流均小于6μA，全部判為失效。其中最差的第4個(gè)單元，250℃下僅能保存9.21h。這并不意味著不能滿足85℃/10年的標(biāo)準(zhǔn)。6個(gè)單元的Ea分別為1.05eV、1.08eV、1.03eV、1.06eV、1.06eV、1.08eV，滿足85℃/10年的標(biāo)準(zhǔn)。這說(shuō)明用250℃/24h的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)并不適用于該產(chǎn)品。因而選取合適的溫度來(lái)評(píng)估數(shù)據(jù)保持特性是一個(gè)非常重要的工作。

200℃/168h下，采用同樣的計(jì)算方法得到6個(gè)存儲(chǔ)單元的Ea分別為0.88eV、0.92eV、0.79eV、0.86eV、0.85eV、0.90eV。選取最差單元的數(shù)據(jù)Ea=0.79eV，根據(jù)公式（1），經(jīng)擬合計(jì)算得到A=9×10-7。由此計(jì)算得到不同溫度下的壽命數(shù)據(jù)為：2238.6年（25℃）、13年（85℃）、4.7年（100℃）。這個(gè)結(jié)果也能滿足85℃下保存10年的要求。

表3 不同老化溫度下源漏電流隨老化時(shí)間的變化二

在做數(shù)據(jù)保持可靠性評(píng)估時(shí)，當(dāng)250℃/24h評(píng)估失效時(shí)，并不意味著在85℃下不能保持10年。當(dāng)產(chǎn)品通過(guò)150℃/1000h的數(shù)據(jù)保持評(píng)估后，生產(chǎn)工藝往往就固定下來(lái)了。個(gè)別失效的點(diǎn)可能是生產(chǎn)制造過(guò)程中的異常，我們需要計(jì)算的是代表正常生產(chǎn)工藝的Ea值，基本上用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)定出典型值（本例用取平均值的方法），便于不同客戶通常根據(jù)提供的Ea值來(lái)評(píng)估嵌入式系統(tǒng)中的EPROM在自己電路中的應(yīng)用情況。但是批量生產(chǎn)前，EPROM的生產(chǎn)工藝穩(wěn)定后，由Ea的平均值可以推算在什么溫度下烘烤24h，可以用來(lái)評(píng)估85℃/10年的標(biāo)準(zhǔn)。本例為225℃（Ea=0.97eV）。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著半導(dǎo)體存儲(chǔ)器業(yè)界越來(lái)越關(guān)注成本控制和評(píng)估中激活能的界定方法、開(kāi)發(fā)周期，合適的只讀存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保持能力評(píng)估方法愈來(lái)愈重要，這里著重探討經(jīng)濟(jì)有效的評(píng)估方法，供業(yè)界同仁參考。

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