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技术文章—如何降低晶圆测试成本
来源:半导体测试 | 作者:chnchip | 发布时间: 2020-12-11 | 1626 次浏览 | 分享到:
       晶圆/芯片工艺过程从空白的硅晶圆开始到最终制成电子功能芯片终结，整个过程需要依次执行数百个专业的工艺步骤(称为工艺流程)。但是，考虑到R&D环境的性质以及各个工艺步骤的复杂性，如果在某个工艺流程中出现问题，可能导致功能器件的良率大幅下降。

       在工艺流程的早期对晶圆上的单个芯片/器件进行电子测试，有助于了解片上设备的性能和执行早期的半导体工艺监管。目前已有具备在线测试功能的大型设备，但是对于之前的fab工厂来说，若没有在其中嵌入在线（in-line）电气测试系统，就无法获得工艺流程中关键点的反馈。因此不得不从fab厂中取出晶圆，然后使用现有的参数测试仪对其进行测试，这就会导致整个流程中断。而且，由于污染问题，从fab厂取出来的晶圆无法返回进行进一步加工，就会损失大量的晶圆，制造周期大大增长，项目交付时间也大大延迟了。

图1.半导体制造工艺流程简图

       工厂研发的测试芯片系统由数千个具有各种尺寸和架构的晶体管、电阻器和电容器组成。其中可能包含小型演示电路，我们需要测试所有这些器件，以正确分析特定的半导体制造工艺。
如果有一套工厂内部半导体自动测试设备（ATE），能够24/7全天候执行测试操作，就可以大大减少研发项目的交付时间并降低总体成本。因此我们需要一种多功能的测试系统，可以快速、准确地执行测试，以支持我们的各种行业联盟计划。并要求该系统需要能够满足所有的参数和功能IC测试需求，而且可以轻松扩展来满足未来半导体制造工业技术的测试需求。

       第一阶段测试

       为了减少晶圆检测的成本就需要更高效的替代解决方案。但是市场上的测试系统不是专注于参数测试，就是专注于功能测试，无法兼顾。而且，传统的参数测试仪利用开关矩阵来共享SMU，数字万用表（DMM）和LCR测试仪等资源，这会降低信号的完整性并使操作顺序化，无法并行执行。此外这些仪器通常需要花费很长时间来进行编程序，而且采用固定密封装，缺乏灵活的性，价格也很昂贵。

       自发展至今，PXI被各行各业广泛采用，可有效的帮助企业降低成本、提高绩效，同时具有强大的经济实力，可以更轻松地帮助各个企业度过不同的产业波动期。最终选择了一种高精度的每通道SMU仪器；除了PXI仪器外，还配备了自动晶圆加工系统的探针台，该系统可以在无人值守的情况下运行；开发了一个定制的探针卡，并将所有晶圆探测组件连接到一个容纳PXI仪器的19英寸机架中。测试系统包括PXI SMU与DMM、LCR仪表和第三方低泄漏开关矩阵，他们在测试点之间共享资源。如图2所示。

       接着利用软件，在使用PXI模块化仪器的ATE上开发并部署了一个参数测试例程库，并对其进行了基准测试，最终对过程监控结构进行了测量。实现了全自动、无人值守的晶圆测试，并顺利地将电气数据覆盖为其他在线（光学）计量数据，进行深入地进行过程分析。

图2. 第一阶段测试系统框架图

图3. 相对于传统测试方法的改进

       通过fab工厂内部ATE，我们可以执行以前的不可能完成的实验或晶圆成本很高的实验。作为一个独立的研究机构，这些新的实验为研发的半导体工艺技术提供了非常有价值的信息。图3显示的是实验中一些非常重要的改进。

       第二阶段测试

       将ATE系统的硬件配置为两台菊花链式PXI机箱，25个PXIeSMU（其中24个连接到与晶圆前端接触的探针，一个连接到吸盘触点），以及一个功能强大的机架式控制器。探针台和晶圆上料设备通过GPIB-USB接口进行控制，软件包依然作为软件架构的核心。

       这种每针SMU方法的性能非常惊人，大大减少了测试时间，这对于大型的传统台式SMU来说是不可能的。由于这一方法可实现高度并行测量，不需要按顺序进行测量，节省了中间的切换步骤，因此总测试时间减少到仅为测试一个测试点的时间。

图4.第二阶段测试系统框架

       假设一个探针垫模块具有24个焊盘和12个二极管；每个二极管连接到两个焊盘。对于fA级的二极管泄漏测量，我们需要较长的测试积分（孔径）时间来抑制测量噪声。这一个积分时间可能会超过32个电源周期（PLC），相当于640 ms(32 PLC x 20 ms/PLC)。在采用开关矩阵的传统顺序测试中，开关和建立时间大约为10 ms，这也是一个重要的影响因素。关于这一点，在第1阶段的系统中，每一个探针垫模块块的开关和建立时间大约为7.92 s。而对于高度并行的配置，测试时间有效地减少到一个二极管的测量时间（640毫秒），快了12倍。

       总结

       根据多个应用程序的测试时间数据，并综合考虑了探针的步进时间之后，可以发现测试速度提高了 3.35倍，过去的测试时间为每晶圆67分钟，而现在采用并行测试后，每晶圆的测试时间减少为20分钟。因此可以肯定地说，从第一阶段到第二阶段，测试吞吐量增加了三倍！在工艺制造周期日益缩短的情况下，吞吐量的增加将有助于于我们更加快速地交付研发成果 。此外，还可以在工艺流程的早期提取大量数据，进行晶圆级可靠性研究。
       
       总而言之，基于PXI的模块化测试仪器可以有效降低检测成本、提高检测速率。

源文标题：降低芯片测试成本的有效手段！
源文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/EQT5pM_bCsNc11bVI5tTWA 
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珠海市中芯集成电路有限公司是一家专业从事集成电路后序加工的高科技电子公司，可以为客户提供晶圆测试（wafer testing）、晶圆切割Dicing Saw(半切及贴膜全切) 、晶圆研磨减薄（wafer back grinding）、成品测试及tcp/cof/cob封装等全方位的服务。公司是中国半导体行业协会会员，珠海市软件行业协会副会长单位，获授国家高新技术企业，广东省“守合同重信用”企业，通过ISO 9001：2008和ISO 9001：2015体系认证。中芯的行为准则是“以客户为中心，以质量求生存，以服务求发展！”，希望通过我们的专业程度和不懈的努力，为客户提供低成本、高品质的产品为目标。