Reliability in een vroeg stadium: op wafer level driven by technology Bert Broekhuizen technical consultant
agenda Intro bedrijf en spreker Inleiding Reliability in het prille begin Voorbeelden van WLR testen Testoplossingen conclusies
company profile C.N.Rood Group consultancy and training service and support Locations: Zoetermeer (NL) / Zellik (B) / Upplands Väsby (S) products and solutions driven by technology
solutions C.N.Rood Group instrumentation biomedical auto-id communication automatic test equipement services video broadcast data acquisition
Solutions for Environmental and Reliability testing applications Electrical Stressing/Testing Data-acquisition/logging mechanical / electrical High speed imaging
Intro speaker Education HTS Technische Natuurkunde Research assistant Philips Optoëlectronics ( 3 yrs ) Field Application Engineer Keithley Instruments ( 22 yrs ) Technical Consultant CN Rood ( since 2015 ) resp. Material / device testing, mechanical/electrical logging Like most: defining and configuring total / turnkey solutions using building blocks
Reliability at several stages, up to the earliest stage Final product modules Packaged devices On wafer, where devices are made
at the wafer level https://www.youtube.com/watch?v=d9swnlzva8g
at the wafer level Op wafer worden zowel discrete componenten zoals (power) transistoren, als ook complexe IC s gemaakt. Een IC is een is een samenstel van verschillende elektronische componenten (zoals transistors) op een enkel stuk halfgeleidermateriaal
at the wafer level Complexiteit van een IC verhindert rechtstreeks testen op wafer. Daarvoor worden Test structuren gebruikt die zich in de streets van de dies bevinden
test structures contacting and testing
the MOSFET transistor Waar bestaat die uit, werking, karakeristieken Een Intel processor chip bevat miljoenen transistoren
the MOSFET transistor - characteristics drain Vd Vg gate source Vs=0 Het oxide is cruciaal voor de werking van de transistor, en de kwaliteit wordt door diverse processen beïnvloedt.
degradation of oxide some examples
Drain Current (amps) Instrumentation for characterizing transistors 3,5E-02 3,0E-02 2450 #1 Steps Gate Voltage (V G ) A Force HI MOSFET Gate Drain Source Force HI Force LO A 2450 #2 Sweeps Drain Voltage (V D ) and Measures Drain Current (I D ) 2,5E-02 2,0E-02 1,5E-02 1,0E-02 5,0E-03 0,0E+00 VG = 2 V VG = 3 V VG = 4 V VG = 5 V 0 1 2 3 4 5 Drain Voltage (volts) Force LO
the SourceMeasureUnit (SMU) A Hi MOSFET Drain Force HI V or I PSU V 2450 #1 Steps Gate Voltage (VG) A Gate Force HI Source Force LO A 2450 #2 Sweeps Drain Voltage (VD) and Measures Drain Current (ID) Force LO Lo
test solutions: the SMU SMU can apply the stress, while monitoring current, and perform characterization as well
stress application an example Een groep van 6 transistor structuren met common gate stress en drain stress
test solution 1 : SMU s + matrix Mainframe SMU 1 SMU 2 SMU 3 SMU 4 SMU 5 SMU 6 8 8xM Switch Matrix M Prober with Hot Chuck SMU 7 SMU 8
test solution2: SMU per pin Mainframe SMU 1 SMU 2 SMU 3 SMU 4 SMU 5 SMU 35 SMU 36 36 SMU aan gate èn SMU aan drain voor iedere transistor Synchroon Parallel stressing en characterizeren Prober with Hot Chuck
Configuration of test solution for stress applications Wat voor devices en hoeveel devices per test? Wat zijn de stress condities ( spanningen / stromen ) Wat zijn de meet condities ( hoe nauwkeurig, hoe snel ) Hoeveel SMU s zijn nodig, en wat voor type SMU per pin, of is een matrix noodzakelijk Naast DC stress/meet, ook AC / Pulse? Worden meer TEG (test elementen groepen ) op een wafer getest Worden meerdere dies ( parallel ) gecontacteerd en getest Moeten speciale nieuwe testroutines ontwikkeld worden Antwoorden op bovenstaande vragen, bepaalt keuze instrumentatie, probestation, en software voor besturing instrumentatie en probestation, en dataverwerking en analyze.
an example of a complete solution probestation software testsystem
WLR becoming more and more important microelectronics powerdevices Trend: Meer transistoren in een chip voor meer capaciteit, funktionaliteit -> nieuwe materialen voor oxides -> nieuwe structuren (eg FinFet) Veel onbekend op reliability Geen standaarden Trend: Meer power door kleinere devices, met een minimum aan verliezen -> nieuwe materialen GaN, SiC Veel onbekend op reliability Geen standaarden
Conclusions Reliability testen op wafer nivo (WLR) geeft op een zo vroeg mogelijk stadium inzicht in de betrouwbaarheid en levensduur van IC s en discrete componenten Vergeleken met PLR, worden kosten en tijd bespaard (package bepaalt helft van de kosten van een device ) Bij nieuwe productieprocessen of wijzigingen bepalen WLR testen de uiteindelijke stap tot productie WLR testen worden steeds belangrijker door steeds hogere worden eisen aan performance van devices, en de introductie hierdoor van nieuwe (onbekende) materialmen. Een WLR testsysteem is te configuren met building blocks tot een complete turn-key systeem