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開發靈活的測試和測量例程，進一步提高系統功能

“這種每針SMU方法成效非常驚人，極大減少了測試時間，這對于大型的傳統臺式SMU來說是不可能的。由于這一方法可實現并行測量，不需要按順序進行測量，節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。”

— Bart De Wachter，imec半導體技術和系統小組研究員

挑戰：

在半導體研發制造（FAB）工藝流程中執行準確的晶圓級電子測試，盡早發現工藝相關的問題，將有助于在第一時間對有問題的晶圓進行返工，以提高芯片質量，優化研發工藝流程，降低成本并縮短最新芯片制造技術的上市時間。

解決方案：

使用NI PXI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，并使用LabVIEW對該系統進行編程，以便我們可以在內部測試所有晶圓、處理結果，并更快速調整半導體工藝流程。

先進的300 mm晶圓fab廠內部視

簡介

Imec是歐洲領先的獨立納米技術研究中心。我們的合作伙伴囊括半導體行業各個環節的關鍵參與者，包含晶圓代工、IDM、無晶圓廠與輕晶圓廠公司、設備與原料供應商等類別。

通過與領先的設備與原料供應商緊密合作，我們能夠進行先進的半導體工藝研發，而且通過最先進的300mm晶圓廠無塵室為合作伙伴提供業界最前端的研究基礎設施。

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

Fab處理流程挑戰

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行數百個專業的工藝步驟（稱為工藝流程）。但是，考慮到R＆D環境的性質以及各個工藝步驟的復雜性，如果在整個工藝流程中出現問題，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性能和執行早期的半導體工藝監控。但是，由于我們先前的測試系統沒有在fab廠中嵌入在線（in-line）電氣測試系統，因此無法獲得工藝流程中關鍵點的反饋。我們不得不從fab廠中取出晶圓，然后使用現有的參數測試儀對其進行測試，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，因此，我們損失了大量晶圓，學習周期大大增長，項目交付時間也大大延遲。

半導體制造工藝流程

我們的研發測試芯片系統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。

如果有一套廠內半導體自動測試設備（ATE），能夠24/7全天候執行測試操作，就可以大大減少研發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，可以快速、準確地執行測試，以支持我們的各種行業聯盟計劃。該系統需要能夠滿足我們所有的參數和功能IC測試需求，而且也可以輕松擴展來滿足未來半導體制造工業技術的測試需求。

第1階段：在fab廠內部署高吞吐量、高精度ATE測試系統

過去，這些測試是在fa廠之外的傳統參數測試儀進行的。在這種情況下，由于測試是在fab之外進行的，我們必須生產兩倍數量的晶圓：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，我們需要先根據測試結果汲取經驗教訓，然后在剩余的工藝流程中將這些經驗教訓應用到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。我們要求供應商能夠提供出色的硬件和軟件服務支持。很快，我們發現市場上的測試系統不是專注于參數測試，就是專注于功能測試，無法兩者兼顧。而且，傳統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，這會降低信號完整性并使操作順序化，無法并行執行。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NI PXI平臺來進行廣泛的測試、驗證和測量，并大大獲益于與NI的緊密合作伙伴關系。我們知道NI可以提供符合我們要求的硬件和軟件服務支持。當我們了解到NI正在開發下一代高精度SMU時，我們就意識到該產品將可能能夠幫助我們建立一個具有成本效益的系統以及實現fab內測量。在了解了NI的產品路線圖后，我們決定作為新技術早期采用者與他們合作。

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

我們使用PXIe-4135 fA級SMU和PXI平臺構建了可以24/7全天候運行的fab內ATE系統，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的探針臺，該系統可以在無人值守的情況下運行。我們開發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。

NI PXIe-4135 SMU可支持采用三軸連接的定制探針卡

我們最初的測試系統將NI PXI SMU與DMM、LCR儀表和第三方低泄漏開關矩陣結合在一起，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重要。

Imec第1階段fab內全自動晶圓測試系統框

Imec第1階段fab內全自動晶圓測試ATE系統（含開關矩陣）

使用LabVIEW對測試系統進行編程并獲得初始結果

?典型的SMU-晶體管連接方案使用了四個PXIe-4135 SMU

我們使用PXI模塊化儀器在fab廠內的ATE上開發并部署了一個LabVIEW參數測試例程庫，并對其進行了基準測試，最終對過程監控結構進行了測量。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、探針臺和自動上料裝置。我們使用LabVIEW，以imec數據倉庫兼容的格式記錄了所有數據，順利地將電氣數據覆蓋為其他在線（光學）計量數據，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-4135 SMU連接到柵極、漏極、體硅和源極端子（圖7），并通過開關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 /關電流測量、掃描測量和閾值電壓提取），并使用高端第三方儀器對結果進行基準測試。

PXIe-4135 SMU可用作為高端的第三方IV甚至CV測量儀器。

基準測試結果：PXIe-4135 SMU高端并行第三方儀器

PXI平臺對Fab工藝的影響

借助fab廠內ATE，我們可以執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，這些新實驗為我們研發下一代半導體工藝技術提供了非常寶貴的信息。

實驗中一項非常重要的改進：

?初始結果

第2階段：優化并行度和測試執行時間

至此，我們已經證明了PXIe-4135與IV測試市場上質量最高的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內全自動晶圓測試系統框

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-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矩陣，并能夠使用每針SMU架構將各個高性能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，并實現了并行測試。

?Imec第2階段fab內全自動晶圓測試ATE系統

現在，最新的fab廠內ATE系統硬件配置包括兩個菊花鏈式PXI機箱、25個PXIe-4135 SMU（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備通過GPIB-USB接口進行控制，LabVIEW則作為軟件架構的核心。

這種每針SMU方法成效非常驚人，極大減少了測試時間，這對于大型的傳統臺式SMU來說是不可能的。由于這一方法可實現并行測量，不需要按順序進行測量，節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640 ms（32 PLC x 20 ms/PLC）。在采用開關矩陣的傳統順序測試中，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，在我們第1階段的系統中，每個探針墊模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 ms），快了12倍。

每針SMU架構大大改善了信號完整性并實現了并行測量，從而大大縮短測試時間

根據多個應用的測試時間數據，并綜合考慮了探針的步進時間之后，我們發現測試速度提高了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！在工藝學習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成果。此外，我們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。

組織和業務影響

我們的ATE系統已成為Imec監控領先半導體工藝必不可少的工具。所有晶圓經過電氣測試之后仍可繼續進行加工，因此，晶圓不再需要將從fab廠中取出。這樣我們每個產業聯盟計劃每年都可節省數十個晶圓。此外，工業學習周期也大大縮短了，這意味著我們可以更快地完成項目并在相同的時間內進行更多的研究。

如果經過電氣測試和快速數據分析，證明工藝條件超出規格范圍且需要調整時，我們可以將晶圓送返工藝流程中的一個或多個步驟，并在調整后的工藝條件下進行全面返工。我們可以再次測試晶圓并繼續進行加工，或者一次又一次地重復進行返工 /測試。這大大減少了由于實驗 /不良處理而導致的晶圓損失。

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行測試，因為這可能導致學習周期延遲一個月。在線電氣測量可以幫助我們發現許多與工藝相關的問題，這些問題可能來源于晶圓制造過程早期的構圖、金屬化和平坦化步驟。”
? ? ? ?責任編輯:pj