案例​分析​要点

通过​部署​在​线​电气​测试、​测量​和​分析，​减少​晶圆​损失​和​成本

使用​24​个​专用​的​并行​SMU​通道​（每​个​探​针​一个​通道），​以​较​小​的​尺寸​将​制造​周期​缩短​3 倍

使用​LabVIEW​开发​灵活​的​测试​和​测量​例​程，​进一步​提高​系统​功能

“这种​每​针​SMU​方法​成效​非常​惊人，​极大​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​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。”

— Bart De Wachter，​imec​半导体​技术​和​系统​小组​研究员

挑战：
在​半导体​研发​制造​(fab)​工艺​流程​中​执行​准确​的​晶圆​级​电子​测试，​尽早​发现​工艺​相关​的​问题，​将​有助​于​在​第一​时间​对​有​问题​的​晶圆​进行​返工，​以​提高​芯​片​质量，​优​化​研发​工艺​流程，​降低​成本​并​缩短​最新​芯​片​制造​技术​的​上市​时间。

解决​方案：
使用​NI PXI​平台​以及​PXIe-4135​源​测量​单元​(SMU)​来​搭建​高度​并行​的​晶圆​测量​系统，​并​使用​LabVIEW​对​该​系统​进行​编​程，​以便​我们​可以​在​内部​测试​所有​晶圆、​处理​结果，​并​更​快速​调整​半导体​工艺​流程。

图​1. ​先进​的​300 mm​晶圆​fab​厂​内部​视图

简介
Imec​是​欧洲​领先​的​独立​纳米​技术​研究​中心。​我们​的​合作​伙伴​囊括​半导体​行业​各个​环节​的​关键​参与​者，​包含​晶圆代工、​IDM、​无​晶圆​厂​与​轻​晶圆​厂​公司、​设备​与​原料​供应​商​等​类别。

通过​与​领先​的​设备​与​原料​供应​商​紧密​合作，​我们​能够​进行​先进​的​半导体​工艺​研发，​而且​通过​最​先进​的​300mm​晶圆​厂​无​尘​室​为​合作​伙伴​提供​业界​最​前端​的​研究​基础​设施。

我们​的​研究​方向​涉及​多种​先进​的​半导体​技术​和​处理，​包括​下一代​逻辑​器件、​先进​的​纳米​材料​互​连​技术​以及​异​构​3D​堆​叠​式​集成​控制​(IC)​系统​集成，​从而​为​未来​的​低​功耗​移动​应用​铺​就​道路。

Fab​处理​流程​挑战
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​整个​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​性能​和​执行​早期​的​半导体​工艺​监​控。​但是，​由于​我们​先前​的​测试​系统​没有​在​fab​厂​中​嵌入​在​线​(in-​line)​电气​测试​系统，​因此​无法​获得​工艺​流程​中​关键​点​的​反馈。​我们​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，​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，​因此，​我们​损失​了​大量​晶圆，​学习​周期​大大​增长，​项目​交付​时间​也​大大​延迟。 

图​2. ​半导体​制造​工艺​流程​简​图

我们​的​研发​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​厂​内​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。​但​我们​的​晶圆​制造​厂​并​未有​一个​有效​的​电气​测试​解决​方案，​因此​我们​开始​寻找​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。​该​系统​需要​能够​满足​我们​所有​的​参数​和​功能​IC​测试​需求，​而且​也可以​轻松​扩展​来​满足​未来​半导体​制造​工业​技术​的​测试​需求。

第​1​阶段：​在​fab​厂​内​部署​高​吞吐量、​高​精度​ATE​测试​系统
过去，​这些​测试​是在​fa​厂​之外​的​传统​参数​测试​仪​进行​的。​在​这种​情况​下，​由于​测试​是在​fab​之外​进行​的，​我们​必须​生产​两​倍​数量​的​晶圆：​一半​晶圆​留在​fab​中，​另一​半​用于​在​fab​厂​之外​进行​测试。​这种​方法​非常​耗​时，​我们​需要​先​根据​测试​结果​汲取​经验​教训，​然后​在​剩余​的​工艺​流程​中将​这些​经验​教训​应用​到​fab​厂​的​晶圆​中。

为了​减少​此类​开销，​我们​开始​寻找​更​高效​的​替代​解决​方案。​我们​要求​供应​商​能够​提供​出色​的​硬件​和​软件​服务​支持。​很快，​我们​发现​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​两者​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​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，​而且​采用​固定​封​装，​缺乏​灵活​性，​价格​也​很​昂贵。

我们​选择​了​通用​的​NI PXI​平台​来​进行​广泛​的​测试、​验证​和​测量，​并​大大​获益​于​与​NI​的​紧密​合作​伙伴​关系。​我们​知道​NI​可以​提供​符合​我们​要求​的​硬件​和​软件​服务​支持。​当​我们​了解到​NI​正在​开发​下一代​高​精度​SMU​时，​我们​就​意识​到​该​产品​将​可能​能够​帮助​我们​建立​一个​具有​成本​效益​的​系统​以及​实现​fab​内​测量。​在​了解​了​NI​的​产品​路线图​后，​我们​决定​作为​新​技术​早期​采用​者​与​他们​合作。

图​3. ​NI PXIe-4135 fA​级​SMU​成为​所有​IV​和​电容​电压 (C-​V)​参数​测试​的​唯一​仪器

我们​使用​PXIe-4135 fA​级​SMU​和​PXI​平台​构​建​了​可以​24/7​全天候​运行​的​fab​内​ATE​系统，​从而​大大​缩短​了​项目​时间，​并​避免​了​晶圆​浪费。​除了​PXI​仪器​外，​我们​还​使用​了​配备​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。​我们​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。

图​4. ​NI PXIe-4135 SMU​可​支持​采用​三​轴​连接​的​定制​探​针​卡

我们​最初​的​测试​系统​将​NI PXI SMU​与​DMM、​LCR​仪表​和​第三​方​低​泄漏​开关​矩阵​结合​在一起，​以​在​测试​点​之间​共享​资源。​PXIe-4135​三​轴​电缆​对于​在​整个​安装​过程​中​维持​低​泄漏​至​关​重要。

图​5. ​Imec​第​1​阶段​fab​内​全​自动​晶圆​测试​系统​框​图

图​6. ​Imec​第​1​阶段​fab​内​全​自动​晶圆​测试​ATE​系统​（含​开关​矩阵）

使用​LabVIEW​对​测试​系统​进行​编​程​并​获得​初始​结果

图​7. ​典型​的​SMU-​晶体​管​连接​方案​使用​了​四​个​PXIe-4135 SMU

我们​使用​PXI​模​块​化​仪器​在​fab​厂​内的​ATE​上​开发​并​部署​了​一个​LabVIEW​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。​我们​在​流程​的​多个​阶段​部署​了​自​定义​的​LabVIEW​测试​序列，​实现​了​全​自动、​无人​值​守​的​晶圆​测试。​这些​序列​用于​控制​和​同步​NI​仪器、​开关、​探​针​台​和​自动​上​料​装置。​我们​使用​LabVIEW，​以​imec​数据​仓库​兼容​的​格式​记录​了​所有​数据，​顺利​地​将​电气​数据​覆盖​为​其他​在​线​（光学）​计量​数据，​并​深入​地​进行​过程​分析。 

典型​的​SMU​至​晶体​管​连接​方案​包括​将​四​个​PXIe-4135 SMU​连接​到​栅​极、​漏​极、​体​硅​和​源​极端​子​（图​7），​并​通过​开关​矩阵​使用​单独​的​力​和​感​测​电路​来​排除​寄生​组​件。​我们​在​晶圆​上​部署​了​完整​的​LabVIEW​晶体​管​测试​流程​（包括​开 /​关​电流​测量、​扫描​测量​和​阈​值​电压​提取），​并​使用​高​端​第三​方​仪器​对​结果​进行​基准​测试。

图​8​显示​了​PXIe-4135 SMU​可用​作为​高​端的​第三​方​IV​甚至​CV​测量​仪器。

图​8. ​基准​测试​结果：​PXIe-4135 SMU​高​端​并行​第三​方​仪器

 
PXI​平台​对​Fab​工艺​的​影响
借助​fab​厂​内​ATE，​我们​可以​执行​以前​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​实验​为​我们​研发​下一代​半导体​工艺​技术​提供​了​非常​宝贵​的​信息。

图​9​显示​的是​实验​中​一项​非常​重要​的​改进：

图 9. ​初始​结果

第​2​阶段：​优​化​并行​度​和​测试​执行​时间
至此，​我们​已经​证明​了​PXIe-4135​与​IV​测试​市场​上​质量​最高​的​SMU​相当，​并且​由于​具有​高速​采样​率，​它​甚至​适合​于​低​频​pF​级​C-​V​测试。​由于​该​SMU​具有​多功能​性，​我们​不再​需要​使用​DMM​和​LCR​仪表，​只需​使用​一种​仪器​即可​完成​所有​必要​的​PCM​测试。

图​10. ​Imec​第​2​阶段​fab​内​全​自动​晶圆​测试​系统​框​图

由于​只​使用​PXIe-4135​这​一个​仪器，​测试​成本​大大​降低​了，​而且​我们​也有​信心​接​下来​能够​进一步​缩短​测试​时间。​PXIe-4135 SMU​的​小​尺寸​和​高性能​意味​着​我们​无​需​再​依赖​笨重​的​开关​矩阵，​并​能够​使用​每​针​SMU​架构​将​各个​高性能​SMU​直接​连接​到​探​针​板​模​块​中的​各个​测试​点，​从而​减少​了​信号​路径，​并​实现​了​并行​测试。

图​11. ​Imec​第​2​阶段​fab​内​全​自动​晶圆​测试​ATE​系统

现在，​最新​的​fab​厂​内​ATE​系统​硬件​配置​包括​两​个​菊花​链式​PXI​机​箱、​25​个​PXIe-4135 SMU（其中​24​个​连接​到​与​晶圆​顶端​接触​的​探​针，​一个​连接​到​吸​盘​触​点），​以及​一个​功能​强大​的​RMC-8356​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，​LabVIEW​则​作为​软件​架构​的​核心。

这种​每​针​SMU​方法​成效​非常​惊人，​极大​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​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。

例如，​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​积分​时间​可能​长达​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​我们​第​1​阶段​的​系统​中，​每​个​探​针​垫​模​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 ms)，​快了​12​倍。

图​12. ​每​针​SMU​架构​大大​改善​了​信号​完整性​并​实现​了​并行​测量，​从而​大大​缩短​测试​时间

根据​多个​应用​的​测试​时间​数据，​并​综合​考虑​了​探​针​的​步​进​时间​之后，​我们​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，​我们​的​测试​吞吐量​增加​了​三倍！​在​工艺​学习​周期​日益​缩短​的​情况​下，​吞吐量​的​增加​无疑​将​有助​于​我们​更加​快速​地​交付​研发​成果。​此外，​我们​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。

组织​和​业务​影响
我们​的​ATE​系统​已​成为​Imec​监​控​领先​半导体​工艺​必不可少​的​工具。​所有​晶圆​经过​电气​测试​之后​仍​可​继续​进行​加工，​因此，​晶圆​不再​需要​将​从​fab​厂​中​取出。​这样​我们​每​个​产业​联盟​计划​每年​都可​节省​数​十​个​晶圆。​此外，​工业​学习​周期​也​大大​缩短​了，​这​意味​着​我们​可以​更​快​地​完成​项目​并​在​相同​的​时间​内​进行​更多​的​研究。

如果​经过​电气​测试​和​快速​数据​分析，​证明​工艺​条件​超出​规格​范围​且​需要​调整​时，​我们​可以​将​晶圆​送​返​工艺​流程​中的​一个​或​多个​步骤，​并​在​调整​后​的​工艺​条件下​进行​全面​返工。​我们​可以​再次​测试​晶圆​并​继续​进行​加工，​或者​一次​又​一次​地​重复​进行​返工 /​测试。​这​大大​减少​了​由于​实验 /​不良​处理​而​导致​的​晶圆​损失。

我们​的​一位​工艺​集成​工程​师​表示：“在​线​(in-​line)​电气​测试​已​成为​证明​工艺​条件​是否​有效​的​唯一​方法。​我们​不能​等到​晶圆​完成​处理​后​再​进行​测试，​因为​这​可能​导致​学习​周期​延迟​一个​月。​在​线​电气​测量​可以​帮助​我们​发现​许多​与​工艺​相关​的​问题，​这些​问题​可能​来源​于​晶圆​制造​过程​早期​的​构图、​金属​化​和​平坦​化​步骤。”