案例分析要點(diǎn)

通過部署在線電氣測(cè)試、測(cè)量和分析，減少晶圓損失和成本

使用24個(gè)專用的并行SMU通道（每個(gè)探針一個(gè)通道），以較小的尺寸將制造周期縮短3 倍

使用LabVIEW開發(fā)靈活的測(cè)試和測(cè)量例程，進(jìn)一步提高系統(tǒng)功能

“這種每針SMU方法成效非常驚人，極大減少了測(cè)試時(shí)間，這對(duì)于大型的傳統(tǒng)臺(tái)式SMU來說是不可能的。由于這一方法可實(shí)現(xiàn)并行測(cè)量，不需要按順序進(jìn)行測(cè)量，節(jié)省了中間的切換步驟，因此總測(cè)試時(shí)間減少到僅為測(cè)試一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的時(shí)間?！?/p>

— Bart De Wachter，imec半導(dǎo)體技術(shù)和系統(tǒng)小組研究員

挑戰(zhàn)：

在半導(dǎo)體研發(fā)制造（FAB）工藝流程中執(zhí)行準(zhǔn)確的晶圓級(jí)電子測(cè)試，盡早發(fā)現(xiàn)工藝相關(guān)的問題，將有助于在第一時(shí)間對(duì)有問題的晶圓進(jìn)行返工，以提高芯片質(zhì)量，優(yōu)化研發(fā)工藝流程，降低成本并縮短最新芯片制造技術(shù)的上市時(shí)間。

解決方案：

使用NI PXI平臺(tái)以及PXIe-4135源測(cè)量單元（SMU）來搭建高度并行的晶圓測(cè)量系統(tǒng)，并使用LabVIEW對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行編程，以便我們可以在內(nèi)部測(cè)試所有晶圓、處理結(jié)果，并更快速調(diào)整半導(dǎo)體工藝流程。

先進(jìn)的300 mm晶圓fab廠內(nèi)部視

簡(jiǎn)介

Imec是歐洲領(lǐng)先的獨(dú)立納米技術(shù)研究中心。我們的合作伙伴囊括半導(dǎo)體行業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參與者，包含晶圓代工、IDM、無晶圓廠與輕晶圓廠公司、設(shè)備與原料供應(yīng)商等類別。

通過與領(lǐng)先的設(shè)備與原料供應(yīng)商緊密合作，我們能夠進(jìn)行先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝研發(fā)，而且通過最先進(jìn)的300mm晶圓廠無塵室為合作伙伴提供業(yè)界最前端的研究基礎(chǔ)設(shè)施。

我們的研究方向涉及多種先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)和處理，包括下一代邏輯器件、先進(jìn)的納米材料互連技術(shù)以及異構(gòu)3D堆疊式集成控制（IC）系統(tǒng)集成，從而為未來的低功耗移動(dòng)應(yīng)用鋪就道路。

Fab處理流程挑戰(zhàn)

晶圓 /芯片工藝過程從空白的硅晶圓開始到最終制成電子功能芯片終結(jié)，整個(gè)過程需要依次執(zhí)行數(shù)百個(gè)專業(yè)的工藝步驟（稱為工藝流程）。但是，考慮到R＆D環(huán)境的性質(zhì)以及各個(gè)工藝步驟的復(fù)雜性，如果在整個(gè)工藝流程中出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致功能器件的良率大幅下降。

在工藝流程的早期對(duì)晶圓上的單個(gè)芯片 /器件進(jìn)行電子測(cè)試，有助于了解片上設(shè)備性能和執(zhí)行早期的半導(dǎo)體工藝監(jiān)控。但是，由于我們先前的測(cè)試系統(tǒng)沒有在fab廠中嵌入在線（in-line）電氣測(cè)試系統(tǒng)，因此無法獲得工藝流程中關(guān)鍵點(diǎn)的反饋。我們不得不從fab廠中取出晶圓，然后使用現(xiàn)有的參數(shù)測(cè)試儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，導(dǎo)致整個(gè)流程中斷。而且，由于污染問題，從fab廠取出來的晶圓無法返回進(jìn)行進(jìn)一步加工，因此，我們損失了大量晶圓，學(xué)習(xí)周期大大增長(zhǎng)，項(xiàng)目交付時(shí)間也大大延遲。

半導(dǎo)體制造工藝流程

我們的研發(fā)測(cè)試芯片系統(tǒng)由數(shù)千個(gè)具有各種尺寸和架構(gòu)的晶體管、電阻器和電容器組成。其中可能包含小型演示電路。我們需要測(cè)試所有這些器件，以正確分析特定的半導(dǎo)體制造工藝。

如果有一套廠內(nèi)半導(dǎo)體自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE），能夠24/7全天候執(zhí)行測(cè)試操作，就可以大大減少研發(fā)項(xiàng)目的交付時(shí)間并降低總體成本。但我們的晶圓制造廠并未有一個(gè)有效的電氣測(cè)試解決方案，因此我們開始尋找一種多功能的測(cè)試系統(tǒng)，可以快速、準(zhǔn)確地執(zhí)行測(cè)試，以支持我們的各種行業(yè)聯(lián)盟計(jì)劃。該系統(tǒng)需要能夠滿足我們所有的參數(shù)和功能IC測(cè)試需求，而且也可以輕松擴(kuò)展來滿足未來半導(dǎo)體制造工業(yè)技術(shù)的測(cè)試需求。

第1階段：在fab廠內(nèi)部署高吞吐量、高精度ATE測(cè)試系統(tǒng)

過去，這些測(cè)試是在fa廠之外的傳統(tǒng)參數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行的。在這種情況下，由于測(cè)試是在fab之外進(jìn)行的，我們必須生產(chǎn)兩倍數(shù)量的晶圓：一半晶圓留在fab中，另一半用于在fab廠之外進(jìn)行測(cè)試。這種方法非常耗時(shí)，我們需要先根據(jù)測(cè)試結(jié)果汲取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，然后在剩余的工藝流程中將這些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)應(yīng)用到fab廠的晶圓中。

為了減少此類開銷，我們開始尋找更高效的替代解決方案。我們要求供應(yīng)商能夠提供出色的硬件和軟件服務(wù)支持。很快，我們發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上的測(cè)試系統(tǒng)不是專注于參數(shù)測(cè)試，就是專注于功能測(cè)試，無法兩者兼顧。而且，傳統(tǒng)的參數(shù)測(cè)試儀利用開關(guān)矩陣來共享SMU、數(shù)字萬用表（DMM）和LCR測(cè)試儀等資源，這會(huì)降低信號(hào)完整性并使操作順序化，無法并行執(zhí)行。此外，這些儀器通常需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間來進(jìn)行編程，而且采用固定封裝，缺乏靈活性，價(jià)格也很昂貴。

我們選擇了通用的NI PXI平臺(tái)來進(jìn)行廣泛的測(cè)試、驗(yàn)證和測(cè)量，并大大獲益于與NI的緊密合作伙伴關(guān)系。我們知道NI可以提供符合我們要求的硬件和軟件服務(wù)支持。當(dāng)我們了解到NI正在開發(fā)下一代高精度SMU時(shí)，我們就意識(shí)到該產(chǎn)品將可能能夠幫助我們建立一個(gè)具有成本效益的系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)fab內(nèi)測(cè)量。在了解了NI的產(chǎn)品路線圖后，我們決定作為新技術(shù)早期采用者與他們合作。

NI PXIe-4135 fA級(jí)SMU成為所有IV和電容電壓 （C-V）參數(shù)測(cè)試的唯一儀器

我們使用PXIe-4135 fA級(jí)SMU和PXI平臺(tái)構(gòu)建了可以24/7全天候運(yùn)行的fab內(nèi)ATE系統(tǒng)，從而大大縮短了項(xiàng)目時(shí)間，并避免了晶圓浪費(fèi)。除了PXI儀器外，我們還使用了配備自動(dòng)晶圓加工系統(tǒng)的探針臺(tái)，該系統(tǒng)可以在無人值守的情況下運(yùn)行。我們開發(fā)了一個(gè)定制的探針卡，并將所有晶圓探測(cè)組件連接到一個(gè)容納PXI儀器的19英寸機(jī)架中。

NI PXIe-4135 SMU可支持采用三軸連接的定制探針卡

我們最初的測(cè)試系統(tǒng)將NI PXI SMU與DMM、LCR儀表和第三方低泄漏開關(guān)矩陣結(jié)合在一起，以在測(cè)試點(diǎn)之間共享資源。PXIe-4135三軸電纜對(duì)于在整個(gè)安裝過程中維持低泄漏至關(guān)重要。

Imec第1階段fab內(nèi)全自動(dòng)晶圓測(cè)試系統(tǒng)框

Imec第1階段fab內(nèi)全自動(dòng)晶圓測(cè)試ATE系統(tǒng)（含開關(guān)矩陣）

使用LabVIEW對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行編程并獲得初始結(jié)果

?典型的SMU-晶體管連接方案使用了四個(gè)PXIe-4135 SMU

我們使用PXI模塊化儀器在fab廠內(nèi)的ATE上開發(fā)并部署了一個(gè)LabVIEW參數(shù)測(cè)試?yán)處?kù)，并對(duì)其進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試，最終對(duì)過程監(jiān)控結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)量。我們?cè)诹鞒痰亩鄠€(gè)階段部署了自定義的LabVIEW測(cè)試序列，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)、無人值守的晶圓測(cè)試。這些序列用于控制和同步NI儀器、開關(guān)、探針臺(tái)和自動(dòng)上料裝置。我們使用LabVIEW，以imec數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)兼容的格式記錄了所有數(shù)據(jù)，順利地將電氣數(shù)據(jù)覆蓋為其他在線（光學(xué)）計(jì)量數(shù)據(jù)，并深入地進(jìn)行過程分析。

典型的SMU至晶體管連接方案包括將四個(gè)PXIe-4135 SMU連接到柵極、漏極、體硅和源極端子（圖7），并通過開關(guān)矩陣使用單獨(dú)的力和感測(cè)電路來排除寄生組件。我們?cè)诰A上部署了完整的LabVIEW晶體管測(cè)試流程（包括開 /關(guān)電流測(cè)量、掃描測(cè)量和閾值電壓提?。?，并使用高端第三方儀器對(duì)結(jié)果進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。

PXIe-4135 SMU可用作為高端的第三方IV甚至CV測(cè)量?jī)x器。

基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果：PXIe-4135 SMU高端并行第三方儀器

PXI平臺(tái)對(duì)Fab工藝的影響

借助fab廠內(nèi)ATE，我們可以執(zhí)行以前不可能完成的實(shí)驗(yàn)或晶圓成本很高的實(shí)驗(yàn)。作為一個(gè)獨(dú)立的研究機(jī)構(gòu)，這些新實(shí)驗(yàn)為我們研發(fā)下一代半導(dǎo)體工藝技術(shù)提供了非常寶貴的信息。

實(shí)驗(yàn)中一項(xiàng)非常重要的改進(jìn)：

?初始結(jié)果

第2階段：優(yōu)化并行度和測(cè)試執(zhí)行時(shí)間

至此，我們已經(jīng)證明了PXIe-4135與IV測(cè)試市場(chǎng)上質(zhì)量最高的SMU相當(dāng)，并且由于具有高速采樣率，它甚至適合于低頻pF級(jí)C-V測(cè)試。由于該SMU具有多功能性，我們不再需要使用DMM和LCR儀表，只需使用一種儀器即可完成所有必要的PCM測(cè)試。

Imec第2階段fab內(nèi)全自動(dòng)晶圓測(cè)試系統(tǒng)框

由于只使用PXIe-4135這一個(gè)儀器，測(cè)試成本大大降低了，而且我們也有信心接下來能夠進(jìn)一步縮短測(cè)試時(shí)間。PXIe-4135 SMU的小尺寸和高性能意味著我們無需再依賴笨重的開關(guān)矩陣，并能夠使用每針SMU架構(gòu)將各個(gè)高性能SMU直接連接到探針板模塊中的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)，從而減少了信號(hào)路徑，并實(shí)現(xiàn)了并行測(cè)試。

?Imec第2階段fab內(nèi)全自動(dòng)晶圓測(cè)試ATE系統(tǒng)

現(xiàn)在，最新的fab廠內(nèi)ATE系統(tǒng)硬件配置包括兩個(gè)菊花鏈?zhǔn)絇XI機(jī)箱、25個(gè)PXIe-4135 SMU（其中24個(gè)連接到與晶圓頂端接觸的探針，一個(gè)連接到吸盤觸點(diǎn)），以及一個(gè)功能強(qiáng)大的RMC-8356機(jī)架式控制器。探針臺(tái)和晶圓上料設(shè)備通過GPIB-USB接口進(jìn)行控制，LabVIEW則作為軟件架構(gòu)的核心。

這種每針SMU方法成效非常驚人，極大減少了測(cè)試時(shí)間，這對(duì)于大型的傳統(tǒng)臺(tái)式SMU來說是不可能的。由于這一方法可實(shí)現(xiàn)并行測(cè)量，不需要按順序進(jìn)行測(cè)量，節(jié)省了中間的切換步驟，因此總測(cè)試時(shí)間減少到僅為測(cè)試一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的時(shí)間。

例如，假設(shè)一個(gè)探針墊模塊具有24個(gè)焊盤和12個(gè)二極管；每個(gè)二極管連接到兩個(gè)焊盤。對(duì)于fA級(jí)的二極管泄漏測(cè)量，我們需要較長(zhǎng)的測(cè)試積分（孔徑）時(shí)間來抑制測(cè)量噪聲。這一積分時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)32個(gè)電源周期（PLC），相當(dāng)于640 ms（32 PLC x 20 ms/PLC）。在采用開關(guān)矩陣的傳統(tǒng)順序測(cè)試中，開關(guān)和建立時(shí)間大約為10 ms，這也是一個(gè)重要的影響因素。關(guān)于這一點(diǎn)，在我們第1階段的系統(tǒng)中，每個(gè)探針墊模塊的開關(guān)和建立時(shí)間大約為7.92 s。而對(duì)于高度并行的配置，測(cè)試時(shí)間有效地減少到一個(gè)二極管的測(cè)量時(shí)間（640 ms），快了12倍。

每針SMU架構(gòu)大大改善了信號(hào)完整性并實(shí)現(xiàn)了并行測(cè)量，從而大大縮短測(cè)試時(shí)間

根據(jù)多個(gè)應(yīng)用的測(cè)試時(shí)間數(shù)據(jù)，并綜合考慮了探針的步進(jìn)時(shí)間之后，我們發(fā)現(xiàn)測(cè)試速度提高了3.35倍，過去的測(cè)試時(shí)間為每晶圓67分鐘，而現(xiàn)在采用并行測(cè)試后，每晶圓的測(cè)試時(shí)間減少為20分鐘。因此可以肯定地說，從第一階段到第二階段，我們的測(cè)試吞吐量增加了三倍！在工藝學(xué)習(xí)周期日益縮短的情況下，吞吐量的增加無疑將有助于我們更加快速地交付研發(fā)成果。此外，我們可以在工藝流程的早期提取大量數(shù)據(jù)，進(jìn)行晶圓級(jí)可靠性研究。

組織和業(yè)務(wù)影響

我們的ATE系統(tǒng)已成為Imec監(jiān)控領(lǐng)先半導(dǎo)體工藝必不可少的工具。所有晶圓經(jīng)過電氣測(cè)試之后仍可繼續(xù)進(jìn)行加工，因此，晶圓不再需要將從fab廠中取出。這樣我們每個(gè)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟計(jì)劃每年都可節(jié)省數(shù)十個(gè)晶圓。此外，工業(yè)學(xué)習(xí)周期也大大縮短了，這意味著我們可以更快地完成項(xiàng)目并在相同的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行更多的研究。

如果經(jīng)過電氣測(cè)試和快速數(shù)據(jù)分析，證明工藝條件超出規(guī)格范圍且需要調(diào)整時(shí)，我們可以將晶圓送返工藝流程中的一個(gè)或多個(gè)步驟，并在調(diào)整后的工藝條件下進(jìn)行全面返工。我們可以再次測(cè)試晶圓并繼續(xù)進(jìn)行加工，或者一次又一次地重復(fù)進(jìn)行返工 /測(cè)試。這大大減少了由于實(shí)驗(yàn) /不良處理而導(dǎo)致的晶圓損失。

我們的一位工藝集成工程師表示：“在線（in-line）電氣測(cè)試已成為證明工藝條件是否有效的唯一方法。我們不能等到晶圓完成處理后再進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致學(xué)習(xí)周期延遲一個(gè)月。在線電氣測(cè)量可以幫助我們發(fā)現(xiàn)許多與工藝相關(guān)的問題，這些問題可能來源于晶圓制造過程早期的構(gòu)圖、金屬化和平坦化步驟?！?br /> ? ? ? ?責(zé)任編輯:pj