晶圆接受测试中的阈值电压测试原理

以下文章来源于SOC磁测试之家，作者SOC磁测试之家

引言：WAT为什么要测Vth?

在芯片制造的纳米世界里，阈值电压(Threshold Voltage, Vth)如同人体的“血压值”——微小偏差即可导致系统性崩溃。作为晶圆接受测试(WAT)的核心指标之一，Vth直接决定晶体管的开关特性、功耗水平与信号完整性。本文将深入拆解Vth的测试原理、工艺关联及行业应用，揭示这项参数如何牵动半导体制造的全局。

01Vth的本质：晶体管开关的“临界点”

1. 物理定义

Vth指使MOSFET晶体管沟道形成导通所需的最低 栅极电压 。当栅极电压(Vg)达到Vth时，源漏极间开始形成导电通道(反型层)，电流(Ids)显著上升。

2. 工程意义

性能指标 ：Vth越低，晶体管开启速度越快，但漏电流(Ioff)增加;

功耗平衡 ：Vth升高可降低静态功耗，但会牺牲运算速度;

工艺标尺 ：Vth波动反映栅氧化层厚度、掺杂浓度等核心工艺参数的稳定性。

行业标准 ：在先进制程中，Vth的批次内波动需控制在±5%以内，否则将导致芯片性能离散甚至功能失效。

02WAT如何测试Vth?——从结构设计到数据采集

1. 专用测试结构设计

WAT通过以下特殊结构测量Vth：

Test Key的放置点布置：

在进行 WAT 测试之前，合理选择和布置测试点是至关重要的一步。测试点的位置和数量直接关系到测试的准确性和工艺评估的全面性。

Van der Pauw结构 ：用于提取载流子迁移率，辅助Vth计算

环形振荡器(Ring Oscillator) ：通过振荡频率反推Vth

单晶体管测试单元 ：最直接的Vth测量结构

2. 测试设备与流程

测试方法 ：

线性区法 ：固定Vd(漏极电压)为0.1V，扫描Vg，取Ids=100nA·(W/L)对应电压为Vth(适用于长沟道器件)

饱和区法 ：固定Vd>Vg-Vth，通过外推Id-Vg曲线斜率确定Vth(短沟道器件主流方法)

03Vth异常背后的工艺“破案”逻辑

1. 关键工艺影响因素

2. 异常数据诊断流程

晶圆图分析 ：发现Vth呈现“同心圆”分布 → 指向炉管工艺温度梯度问题

相关性检验 ：Vth与栅极电容(Cox)强相关 → 锁定氧化层厚度异常

根本原因追溯 ：检查CVD设备气流分布 → 发现反应腔边缘沉积速率偏低

经典案例 ：

台积电5nm危机 ：某批次Vth偏移8%，经WAT数据分析发现EUV光刻胶残留导致栅极形变，紧急升级显影工艺后挽回数万片晶圆损失。

中芯国际成熟制程优化 ：通过WAT监控发现Vth随晶圆位置规律性波动，最终定位至离子注入机扫描机构校准偏差，调整后良率提升12%。

04Vth测试的未来挑战

1. 三维结构测试难题

FinFET/GAA晶体管 ：三维沟道使传统测试方法失效，需开发基于TCAD仿真的新型Vth提取算法

解决方案 ：应用机器学习预测Vth与鳍片宽度的非线性关系(如ASML与IMEC合作项目)

2. 量子效应干扰

在3nm以下制程，量子隧穿效应导致Vth随温度剧烈波动

行业探索 ：引入低温WAT测试(-50℃)，结合多物理场建模解析量子效应

3. 测试效率瓶颈

3D堆叠芯片需测试数千个TSV通孔对应的局部Vth，传统探针台速度无法满足

突破方向 ：应用超导探针技术(日本Advantest已实现100GHz高频测试)

结语：Vth测试——半导体行业的“微观战场”

从一片晶圆的参数检测到全球半导体产业链的博弈，Vth这个纳米级的参数，实则是技术实力的微观投射。当芯片制程逼近物理极限，Vth测试的精度将直接决定谁能掌控下一代技术的制高点。Vth不仅为晶圆的电气性能提供了可靠的数据支持，也为制造工艺的稳定性和一致性提供了有效的监控手段。通过对电学参数的精确测量和深入分析，WAT测试能够及时识别制造过程中的问题，进而指导工艺调整，从而提升晶圆的良率和整体产品质量。