基于fab內(nèi)全自動晶圓測試ATE系統(tǒng)

基于fab內(nèi)全自動晶圓測試ATE系統(tǒng)案例分析要點通過部署在線電氣測試、測量和分析，減少晶圓損失和成本使用24個專用的并行SMU通道（每個探針一個通道），以較小的尺寸將制造周期縮短3倍使用LabVIEW開發(fā)靈活的測試和測量例程，進一步提高系統(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)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。”—BartDeWachter，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)行準確的晶圓級電子測試，盡早發(fā)現(xiàn)工藝相關(guān)的問題，將有助于在第一時間對有問題的晶圓進行返工，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)的上市時間。解決方案：使用NIPXI平臺以及PXIe-4135源測量單元（SMU）來搭建高度并行的晶圓測量系統(tǒng)，并使用LabVIEW對該系統(tǒng)進行編程，以便我們可以在內(nèi)部測試所有晶圓、處理結(jié)果，并更快速調(diào)整半導(dǎo)體工藝流程。先進的300mm晶圓fab廠內(nèi)部視簡介Imec是歐洲領(lǐng)先的獨立納米技術(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，我們能夠進行先進的半導(dǎo)體工藝研發(fā)，而且通過最先進的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的半導(dǎo)體技術(shù)和處理，包括下一代邏輯器件、先進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)，整個過程需要依次執(zhí)行數(shù)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(zhì)以及各個工藝步驟的復(fù)雜性，如果在整個工藝流程中出現(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晶圓上的單個芯片/器件進行電子測試，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，由于我們先前的測試系統(tǒng)沒有在fab廠中嵌入在線（in-line）電氣測試系統(tǒng)，因此無法獲得工藝流程中關(guān)鍵點的反饋。我們不得不從fab廠中取出晶圓，然后使用現(xiàn)有的參數(shù)測試儀對其進行測試，導(dǎo)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，因此，我們損失了大量晶圓，學(xué)習(xí)周期大大增長，項目交付時間也大大延遲。半導(dǎo)體制造工藝流程我們的研發(fā)測試芯片系統(tǒng)由數(shù)千個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)體自動測試設(shè)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。但我們的晶圓制造廠并未有一個有效的電氣測試解決方案，因此我們開始尋找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。該系統(tǒng)需要能夠滿足我們所有的參數(shù)和功能IC測試需求，而且也可以輕松擴展來滿足未來半導(dǎo)體制造工業(yè)技術(shù)的測試需求。第1階段：在fab廠內(nèi)部署高吞吐量、高精度ATE測試系統(tǒng)過去，這些測試是在fa廠之外的傳統(tǒng)參數(shù)測試儀進行的。在這種情況下，由于測試是在fab之外進行的，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廠之外進行測試。這種方法非常耗時，我們需要先根據(jù)測試結(jié)果汲取經(jīng)驗教訓(xùn)，然后在剩余的工藝流程中將這些經(jīng)驗教訓(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)市場上的測試系統(tǒng)不是專注于參數(shù)測試，就是專注于功能測試，無法兩者兼顧。而且，傳統(tǒng)的參數(shù)測試儀利用開關(guān)矩陣來共享SMU、數(shù)字萬用表（DMM）和LCR測試儀等資源，這會降低信號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，而且采用固定封裝，缺乏靈活性，價格也很昂貴。我們選擇了通用的NIPXI平臺來進行廣泛的測試、驗證和測量，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。當我們了解到NI正在開發(fā)下一代高精度SMU時，我們就意識到該產(chǎn)品將可能能夠幫助我們建立一個具有成本效益的系統(tǒng)以及實現(xiàn)fab內(nèi)測量。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。NIPXIe-4135fA級SMU成為所有IV和電容電壓（C-V）參數(shù)測試的唯一儀器我們使用PXIe-4135fA級SMU和PXI平臺構(gòu)建了可以24/7全天候運行的fab內(nèi)ATE系統(tǒng)，從而大大縮短了項目時間，并避免了晶圓浪費。除了PXI儀器外，我們還使用了配備自動晶圓加工系統(tǒng)的探針臺，該系統(tǒng)可以在無人值守的情況下運行。我們開發(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。NIPXIe-4135SMU可支持采用三軸連接的定制探針卡我們最初的測試系統(tǒng)將NIPXISMU與DMM、LCR儀表和第三方低泄漏開關(guān)矩陣結(jié)合在一起，以在測試點之間共享資源。PXIe-4135三軸電纜對于在整個安裝過程中維持低泄漏至關(guān)重要。Imec第1階段fab內(nèi)全自動晶圓測試系統(tǒng)框Imec第1階段fab內(nèi)全自動晶圓測試ATE系統(tǒng)（含開關(guān)矩陣）使用LabVIEW對測試系統(tǒng)進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PXIe-4135SMU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LabVIEW參數(shù)測試例程庫，并對其進行了基準測試，最終對過程監(jiān)控結(jié)構(gòu)進行了測量。我們在流程的多個階段部署了自定義的LabVIEW測試序列，實現(xiàn)了全自動、無人值守的晶圓測試。這些序列用于控制和同步NI儀器、開關(guān)、探針臺和自動上料裝置。我們使用LabVIEW，以imec數(shù)據(jù)倉庫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)）計量數(shù)據(jù)，并深入地進行過程分析。典型的SMU至晶體管連接方案包括將四個PXIe-4135SMU連接到柵極、漏極、體硅和源極端子（圖7），并通過開關(guān)矩陣使用單獨的力和感測電路來排除寄生組件。我們在晶圓上部署了完整的LabVIEW晶體管測試流程（包括開/關(guān)電流測量、掃描測量和閾值電壓提?。?，并使用高端第三方儀器對結(jié)果進行基準測試。PXIe-4135SMU可用作為高端的第三方IV甚至CV測量儀器?；鶞蕼y試結(jié)果：PXIe-4135SMU高端并行第三方儀器PXI平臺對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驗或晶圓成本很高的實驗。作為一個獨立的研究機構(gòu)，這些新實驗為我們研發(fā)下一代半導(dǎo)體工藝技術(shù)提供了非常寶貴的信息。實驗中一項非常重要的改進：初始結(jié)果第2階段：優(yōu)化并行度和測試執(zhí)行時間至此，我們已經(jīng)證明了PXIe-4135與IV測試市場上質(zhì)量最高的SMU相當，并且由于具有高速采樣率，它甚至適合于低頻pF級C-V測試。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測試。Imec第2階段fab內(nèi)全自動晶圓測試系統(tǒng)框由于只使用PXIe-4135這一個儀器，測試成本大大降低了，而且我們也有信心接下來能夠進一步縮短測試時間。PXIe-4135SMU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)將各個高性能SMU直接連接到探針板模塊中的各個測試點，從而減少了信號路徑，并實現(xiàn)了并行測試。Imec第2階段fab內(nèi)全自動晶圓測試ATE系統(tǒng)現(xiàn)在，最新的fab廠內(nèi)ATE系統(tǒng)硬件配置包括兩個菊花鏈式PXI機箱、25個PXIe-4135SMU（其中24個連接到與晶圓頂端接觸的探針，一個連接到吸盤觸點），以及一個功能強大的RMC-8356機架式控制器。探針臺和晶圓上料設(shè)備通過GPIB-USB接口進行控制，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)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。例如，假設(shè)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。這一積分時間可能長達32個電源周期（PLC），相當于640ms（32PLCx20ms/PLC）。在采用開關(guān)矩陣的傳統(tǒng)順序測試中，開關(guān)和建立時間大約為10ms，這也是一個重要的影響因素。關(guān)于這一點，在我們第1階段的系統(tǒng)中，每個探針墊模塊的開關(guān)和建立時間大約為7.92s。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（640ms），快了12倍。每針SMU架構(gòu)大大改善了信號完整性并實現(xiàn)了并行測量，從而大大縮短測試時間根據(jù)多個應(yīng)用的測試時間數(shù)據(jù)，并綜合考慮了探針的步進時間之后，我們發(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，我們的測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)，進行晶圓級可靠性研究。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)過電氣測試之后仍可繼續(xù)進行加工，因此，晶圓不再需要將從fab廠中取出。這樣我們每個產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟計劃每年都可節(jié)省數(shù)十個晶圓。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目并在相同的時間內(nèi)進行更多的研究。如果經(jīng)過電氣測試和快速數(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，我們可以將晶圓送返工藝流程中的一個或多個步驟，并在調(diào)整后的工藝條件下進