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技術文章—如何降低晶圓測試成本
來源:半導體測試
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作者:chnchip
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發(fā)布時間: 2020-12-11
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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，整個過程需要依次執(zhí)行數百個專業(yè)的工藝步驟(稱為工藝流程)。但是，考慮到R&D環(huán)境的性質以及各個工藝步驟的復雜性，如果在某個工藝流程中出現(xiàn)問題，可能導致功能器件的良率大幅下降。
在工藝流程的早期對晶圓上的單個芯片/器件進行電子測試，有助于了解片上設備的性能和執(zhí)行早期的半導體工藝監(jiān)管。目前已有具備在線測試功能的大型設備，但是對于之前的fab工廠來說，若沒有在其中嵌入在線（in-line）電氣測試系統(tǒng)，就無法獲得工藝流程中關鍵點的反饋。因此不得不從fab廠中取出晶圓，然后使用現(xiàn)有的參數測試儀對其進行測試，這就會導致整個流程中斷。而且，由于污染問題，從fab廠取出來的晶圓無法返回進行進一步加工，就會損失大量的晶圓，制造周期大大增長，項目交付時間也大大延遲了。
工廠研發(fā)的測試芯片系統(tǒng)由數千個具有各種尺寸和架構的晶體管、電阻器和電容器組成。其中可能包含小型演示電路，我們需要測試所有這些器件，以正確分析特定的半導體制造工藝。
如果有一套工廠內部半導體自動測試設備（ATE），能夠24/7全天候執(zhí)行測試操作，就可以大大減少研發(fā)項目的交付時間并降低總體成本。因此我們需要一種多功能的測試系統(tǒng)，可以快速、準確地執(zhí)行測試，以支持我們的各種行業(yè)聯(lián)盟計劃。并要求該系統(tǒng)需要能夠滿足所有的參數和功能IC測試需求，而且可以輕松擴展來滿足未來半導體制造工業(yè)技術的測試需求。
第一階段測試
為了減少晶圓檢測的成本就需要更高效的替代解決方案。但是市場上的測試系統(tǒng)不是專注于參數測試，就是專注于功能測試，無法兼顧。而且，傳統(tǒng)的參數測試儀利用開關矩陣來共享SMU，數字萬用表（DMM）和LCR測試儀等資源，這會降低信號的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很長時間來進行編程序，而且采用固定密封裝，缺乏靈活的性，價格也很昂貴。
自發(fā)展至今，PXI被各行各業(yè)廣泛采用，可有效的幫助企業(yè)降低成本、提高績效，同時具有強大的經濟實力，可以更輕松地幫助各個企業(yè)度過不同的產業(yè)波動期。最終選擇了一種高精度的每通道SMU儀器；除了PXI儀器外，還配備了自動晶圓加工系統(tǒng)的探針臺，該系統(tǒng)可以在無人值守的情況下運行；開發(fā)了一個定制的探針卡，并將所有晶圓探測組件連接到一個容納PXI儀器的19英寸機架中。測試系統(tǒng)包括PXI SMU與DMM、LCR儀表和第三方低泄漏開關矩陣，他們在測試點之間共享資源。如圖2所示。
接著利用軟件，在使用PXI模塊化儀器的ATE上開發(fā)并部署了一個參數測試例程庫，并對其進行了基準測試，最終對過程監(jiān)控結構進行了測量。實現(xiàn)了全自動、無人值守的晶圓測試，并順利地將電氣數據覆蓋為其他在線（光學）計量數據，進行深入地進行過程分析。
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通過fab工廠內部ATE，我們可以執(zhí)行以前的不可能完成的實驗或晶圓成本很高的實驗。作為一個獨立的研究機構，這些新的實驗為研發(fā)的半導體工藝技術提供了非常有價值的信息。圖3顯示的是實驗中一些非常重要的改進。
第二階段測試
將ATE系統(tǒng)的硬件配置為兩臺菊花鏈式PXI機箱，25個PXIeSMU（其中24個連接到與晶圓前端接觸的探針，一個連接到吸盤觸點），以及一個功能強大的機架式控制器。探針臺和晶圓上料設備通過GPIB-USB接口進行控制，軟件包依然作為軟件架構的核心。
這種每針SMU方法的性能非常驚人，大大減少了測試時間，這對于大型的傳統(tǒng)臺式SMU來說是不可能的。由于這一方法可實現(xiàn)高度并行測量，不需要按順序進行測量，節(jié)省了中間的切換步驟，因此總測試時間減少到僅為測試一個測試點的時間。
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假設一個探針墊模塊具有24個焊盤和12個二極管；每個二極管連接到兩個焊盤。對于fA級的二極管泄漏測量，我們需要較長的測試積分（孔徑）時間來抑制測量噪聲。這一個積分時間可能會超過32個電源周期（PLC），相當于640 ms(32 PLC x 20 ms/PLC)。在采用開關矩陣的傳統(tǒng)順序測試中，開關和建立時間大約為10 ms，這也是一個重要的影響因素。關于這一點，在第1階段的系統(tǒng)中，每一個探針墊模塊塊的開關和建立時間大約為7.92 s。而對于高度并行的配置，測試時間有效地減少到一個二極管的測量時間（640毫秒），快了12倍。
總結
根據多個應用程序的測試時間數據，并綜合考慮了探針的步進時間之后，可以發(fā)現(xiàn)測試速度提高了 3.35倍，過去的測試時間為每晶圓67分鐘，而現(xiàn)在采用并行測試后，每晶圓的測試時間減少為20分鐘。因此可以肯定地說，從第一階段到第二階段，測試吞吐量增加了三倍！在工藝制造周期日益縮短的情況下，吞吐量的增加將有助于于我們更加快速地交付研發(fā)成果 。此外，還可以在工藝流程的早期提取大量數據，進行晶圓級可靠性研究。
總而言之，基于PXI的模塊化測試儀器可以有效降低檢測成本、提高檢測速率。
源文標題：降低芯片測試成本的有效手段！
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珠海市中芯集成電路有限公司是一家專業(yè)從事集成電路后序加工的高科技電子公司，可以為客戶提供晶圓測試（wafer testing）、晶圓切割Dicing Saw(半切及貼膜全切) 、晶圓研磨減薄（wafer back grinding）、成品測試及tcp/cof/cob封裝等全方位的服務。公司是中國半導體行業(yè)協(xié)會會員，珠海市軟件行業(yè)協(xié)會副會長單位，獲授國家高新技術企業(yè)，廣東省“守合同重信用”企業(yè)，通過ISO 9001：2008和ISO 9001：2015體系認證。中芯的行為準則是“以客戶為中心，以質量求生存，以服務求發(fā)展！”，希望通過我們的專業(yè)程度和不懈的努力，為客戶提供低成本、高品質的產品為目標。
在工藝流程的早期對晶圓上的單個芯片/器件進行電子測試，有助于了解片上設備的性能和執(zhí)行早期的半導體工藝監(jiān)管。目前已有具備在線測試功能的大型設備，但是對于之前的fab工廠來說，若沒有在其中嵌入在線（in-line）電氣測試系統(tǒng)，就無法獲得工藝流程中關鍵點的反饋。因此不得不從fab廠中取出晶圓，然后使用現(xiàn)有的參數測試儀對其進行測試，這就會導致整個流程中斷。而且，由于污染問題，從fab廠取出來的晶圓無法返回進行進一步加工，就會損失大量的晶圓，制造周期大大增長，項目交付時間也大大延遲了。
圖1.半導體制造工藝流程簡圖
工廠研發(fā)的測試芯片系統(tǒng)由數千個具有各種尺寸和架構的晶體管、電阻器和電容器組成。其中可能包含小型演示電路，我們需要測試所有這些器件，以正確分析特定的半導體制造工藝。
如果有一套工廠內部半導體自動測試設備（ATE），能夠24/7全天候執(zhí)行測試操作，就可以大大減少研發(fā)項目的交付時間并降低總體成本。因此我們需要一種多功能的測試系統(tǒng)，可以快速、準確地執(zhí)行測試，以支持我們的各種行業(yè)聯(lián)盟計劃。并要求該系統(tǒng)需要能夠滿足所有的參數和功能IC測試需求，而且可以輕松擴展來滿足未來半導體制造工業(yè)技術的測試需求。
第一階段測試
為了減少晶圓檢測的成本就需要更高效的替代解決方案。但是市場上的測試系統(tǒng)不是專注于參數測試，就是專注于功能測試，無法兼顧。而且，傳統(tǒng)的參數測試儀利用開關矩陣來共享SMU，數字萬用表（DMM）和LCR測試儀等資源，這會降低信號的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很長時間來進行編程序，而且采用固定密封裝，缺乏靈活的性，價格也很昂貴。
自發(fā)展至今，PXI被各行各業(yè)廣泛采用，可有效的幫助企業(yè)降低成本、提高績效，同時具有強大的經濟實力，可以更輕松地幫助各個企業(yè)度過不同的產業(yè)波動期。最終選擇了一種高精度的每通道SMU儀器；除了PXI儀器外，還配備了自動晶圓加工系統(tǒng)的探針臺，該系統(tǒng)可以在無人值守的情況下運行；開發(fā)了一個定制的探針卡，并將所有晶圓探測組件連接到一個容納PXI儀器的19英寸機架中。測試系統(tǒng)包括PXI SMU與DMM、LCR儀表和第三方低泄漏開關矩陣，他們在測試點之間共享資源。如圖2所示。
接著利用軟件，在使用PXI模塊化儀器的ATE上開發(fā)并部署了一個參數測試例程庫，并對其進行了基準測試，最終對過程監(jiān)控結構進行了測量。實現(xiàn)了全自動、無人值守的晶圓測試，并順利地將電氣數據覆蓋為其他在線（光學）計量數據，進行深入地進行過程分析。
圖2. 第一階段測試系統(tǒng)框架圖
圖3. 相對于傳統(tǒng)測試方法的改進
通過fab工廠內部ATE，我們可以執(zhí)行以前的不可能完成的實驗或晶圓成本很高的實驗。作為一個獨立的研究機構，這些新的實驗為研發(fā)的半導體工藝技術提供了非常有價值的信息。圖3顯示的是實驗中一些非常重要的改進。
第二階段測試
將ATE系統(tǒng)的硬件配置為兩臺菊花鏈式PXI機箱，25個PXIeSMU（其中24個連接到與晶圓前端接觸的探針，一個連接到吸盤觸點），以及一個功能強大的機架式控制器。探針臺和晶圓上料設備通過GPIB-USB接口進行控制，軟件包依然作為軟件架構的核心。
這種每針SMU方法的性能非常驚人，大大減少了測試時間，這對于大型的傳統(tǒng)臺式SMU來說是不可能的。由于這一方法可實現(xiàn)高度并行測量，不需要按順序進行測量，節(jié)省了中間的切換步驟，因此總測試時間減少到僅為測試一個測試點的時間。
圖4.第二階段測試系統(tǒng)框架
假設一個探針墊模塊具有24個焊盤和12個二極管；每個二極管連接到兩個焊盤。對于fA級的二極管泄漏測量，我們需要較長的測試積分（孔徑）時間來抑制測量噪聲。這一個積分時間可能會超過32個電源周期（PLC），相當于640 ms(32 PLC x 20 ms/PLC)。在采用開關矩陣的傳統(tǒng)順序測試中，開關和建立時間大約為10 ms，這也是一個重要的影響因素。關于這一點，在第1階段的系統(tǒng)中，每一個探針墊模塊塊的開關和建立時間大約為7.92 s。而對于高度并行的配置，測試時間有效地減少到一個二極管的測量時間（640毫秒），快了12倍。
總結
根據多個應用程序的測試時間數據，并綜合考慮了探針的步進時間之后，可以發(fā)現(xiàn)測試速度提高了 3.35倍，過去的測試時間為每晶圓67分鐘，而現(xiàn)在采用并行測試后，每晶圓的測試時間減少為20分鐘。因此可以肯定地說，從第一階段到第二階段，測試吞吐量增加了三倍！在工藝制造周期日益縮短的情況下，吞吐量的增加將有助于于我們更加快速地交付研發(fā)成果 。此外，還可以在工藝流程的早期提取大量數據，進行晶圓級可靠性研究。
總而言之，基于PXI的模塊化測試儀器可以有效降低檢測成本、提高檢測速率。
源文標題：降低芯片測試成本的有效手段！
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珠海市中芯集成電路有限公司是一家專業(yè)從事集成電路后序加工的高科技電子公司，可以為客戶提供晶圓測試（wafer testing）、晶圓切割Dicing Saw(半切及貼膜全切) 、晶圓研磨減薄（wafer back grinding）、成品測試及tcp/cof/cob封裝等全方位的服務。公司是中國半導體行業(yè)協(xié)會會員，珠海市軟件行業(yè)協(xié)會副會長單位，獲授國家高新技術企業(yè)，廣東省“守合同重信用”企業(yè)，通過ISO 9001：2008和ISO 9001：2015體系認證。中芯的行為準則是“以客戶為中心，以質量求生存，以服務求發(fā)展！”，希望通過我們的專業(yè)程度和不懈的努力，為客戶提供低成本、高品質的產品為目標。