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引言：WAT為什么要測Vth?

在芯片制造的納米世界里，閾值電壓(Threshold Voltage, Vth)如同人體的“血壓值”——微小偏差即可導(dǎo)致系統(tǒng)性崩潰。作為晶圓接受測試(WAT)的核心指標(biāo)之一，Vth直接決定晶體管的開關(guān)特性、功耗水平與信號完整性。本文將深入拆解Vth的測試原理、工藝關(guān)聯(lián)及行業(yè)應(yīng)用，揭示這項(xiàng)參數(shù)如何牽動(dòng)半導(dǎo)體制造的全局。

01Vth的本質(zhì)：晶體管開關(guān)的“臨界點(diǎn)”

1. 物理定義

Vth指使MOSFET晶體管溝道形成導(dǎo)通所需的最低 柵極電壓 。當(dāng)柵極電壓(Vg)達(dá)到Vth時(shí)，源漏極間開始形成導(dǎo)電通道(反型層)，電流(Ids)顯著上升。

2. 工程意義

性能指標(biāo) ：Vth越低，晶體管開啟速度越快，但漏電流(Ioff)增加;

功耗平衡 ：Vth升高可降低靜態(tài)功耗，但會(huì)犧牲運(yùn)算速度;

工藝標(biāo)尺 ：Vth波動(dòng)反映柵氧化層厚度、摻雜濃度等核心工藝參數(shù)的穩(wěn)定性。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) ：在先進(jìn)制程中，Vth的批次內(nèi)波動(dòng)需控制在±5%以內(nèi)，否則將導(dǎo)致芯片性能離散甚至功能失效。

02WAT如何測試Vth?——從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到數(shù)據(jù)采集

1. 專用測試結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

WAT通過以下特殊結(jié)構(gòu)測量Vth：

Test Key的放置點(diǎn)布置：

在進(jìn)行 WAT 測試之前，合理選擇和布置測試點(diǎn)是至關(guān)重要的一步。測試點(diǎn)的位置和數(shù)量直接關(guān)系到測試的準(zhǔn)確性和工藝評估的全面性。

Van der Pauw結(jié)構(gòu) ：用于提取載流子遷移率，輔助Vth計(jì)算

環(huán)形振蕩器(Ring Oscillator) ：通過振蕩頻率反推Vth

單晶體管測試單元 ：最直接的Vth測量結(jié)構(gòu)

2. 測試設(shè)備與流程

測試方法 ：

線性區(qū)法 ：固定Vd(漏極電壓)為0.1V，掃描Vg，取Ids=100nA·(W/L)對應(yīng)電壓為Vth(適用于長溝道器件)

飽和區(qū)法 ：固定Vd>Vg-Vth，通過外推Id-Vg曲線斜率確定Vth(短溝道器件主流方法)

03Vth異常背后的工藝“破案”邏輯

1. 關(guān)鍵工藝影響因素

2. 異常數(shù)據(jù)診斷流程

晶圓圖分析 ：發(fā)現(xiàn)Vth呈現(xiàn)“同心圓”分布 → 指向爐管工藝溫度梯度問題

相關(guān)性檢驗(yàn) ：Vth與柵極電容(Cox)強(qiáng)相關(guān) → 鎖定氧化層厚度異常

根本原因追溯 ：檢查CVD設(shè)備氣流分布 → 發(fā)現(xiàn)反應(yīng)腔邊緣沉積速率偏低

經(jīng)典案例 ：

臺(tái)積電5nm危機(jī) ：某批次Vth偏移8%，經(jīng)WAT數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)EUV光刻膠殘留導(dǎo)致柵極形變，緊急升級顯影工藝后挽回?cái)?shù)萬片晶圓損失。

中芯國際成熟制程優(yōu)化 ：通過WAT監(jiān)控發(fā)現(xiàn)Vth隨晶圓位置規(guī)律性波動(dòng)，最終定位至離子注入機(jī)掃描機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)偏差，調(diào)整后良率提升12%。

04Vth測試的未來挑戰(zhàn)

1. 三維結(jié)構(gòu)測試難題

FinFET/GAA晶體管 ：三維溝道使傳統(tǒng)測試方法失效，需開發(fā)基于TCAD仿真的新型Vth提取算法

解決方案 ：應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測Vth與鰭片寬度的非線性關(guān)系(如ASML與IMEC合作項(xiàng)目)

2. 量子效應(yīng)干擾

在3nm以下制程，量子隧穿效應(yīng)導(dǎo)致Vth隨溫度劇烈波動(dòng)

行業(yè)探索 ：引入低溫WAT測試(-50℃)，結(jié)合多物理場建模解析量子效應(yīng)

3. 測試效率瓶頸

3D堆疊芯片需測試數(shù)千個(gè)TSV通孔對應(yīng)的局部Vth，傳統(tǒng)探針臺(tái)速度無法滿足

突破方向 ：應(yīng)用超導(dǎo)探針技術(shù)(日本Advantest已實(shí)現(xiàn)100GHz高頻測試)

結(jié)語：Vth測試——半導(dǎo)體行業(yè)的“微觀戰(zhàn)場”

從一片晶圓的參數(shù)檢測到全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的博弈，Vth這個(gè)納米級的參數(shù)，實(shí)則是技術(shù)實(shí)力的微觀投射。當(dāng)芯片制程逼近物理極限，Vth測試的精度將直接決定誰能掌控下一代技術(shù)的制高點(diǎn)。Vth不僅為晶圓的電氣性能提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，也為制造工藝的穩(wěn)定性和一致性提供了有效的監(jiān)控手段。通過對電學(xué)參數(shù)的精確測量和深入分析，WAT測試能夠及時(shí)識別制造過程中的問題，進(jìn)而指導(dǎo)工藝調(diào)整，從而提升晶圓的良率和整體產(chǎn)品質(zhì)量。