WAT是英文 Wafer Acceptance Test 的縮寫,意思是晶圓接受測試,業界也稱WAT 為工藝控制監測(Process Control Monitor,PCM)。WAT 是在晶圓產品流片結束之后和品質檢驗之前,測量特定測試結構的電性參數。WAT的目的是通過測試晶圓上特定測試結構的電性參數,檢測每片晶圓產品的工藝情況,評估半導體制造過程的質量和穩定性,判斷晶圓產品是否符合該工藝技術平臺的電性規格要求。WAT數據可以作為晶圓產品交貨的質量憑證,另外 WAT數據還可以反映生產線的實際生產情況,通過收集和分析 WAT 數據可以監測生產線的情況,也可以判斷生產線變化的趨勢,對可能發生的情況進行預警。
晶圓上用于收集 WAT數據的測試結構稱 WAT 測試結構(WAT testkey)。WAT測試結構并不是設計在實際產品芯片內部的,因為設計在芯片內部要占用額外的芯片面積,而額外的芯片面積會增加芯片的成本,芯片代工廠僅僅把WAT測試結構設計在晶圓上芯片(die)之間的劃片槽(Seribe Line)。劃片槽的寬度可以從最小的60μm做到150μm,芯片代工廠依據芯片切割機器(Die Saw)的精度要求制定劃片槽的寬度設計要求,力求做到最小寬度及最小面積。圖5-1所示劃片槽中的WAT測試結構,圖5-1a 是整塊晶圓產品上的芯片,每一個小格子代表一顆芯片;圖5-1b是放大后的圖形,可以看到芯片間的劃片槽;圖5-1c是顯微鏡下的芯片劃片槽,白色的方塊區域是頂層金屬窗口,通常稱為封裝金屬窗口(Bonding PAD),WAT測試結構在PAD與PAD之間,很多不同的測試結構組成一組測試模組,芯片代工廠會給每組測試模組定義一個名稱,每一片晶圓會包含很多這樣的不同的 WAT測試模組。
WAT 測試結構通常包含該工藝技術平臺所有的有源器件、無源器件和特定的隔離結構。例如,有源器件包括MOS 晶體管、寄生MOS 晶體管、二極管和雙極型晶體管等,但是在標準的CMOS 工藝技術中,僅僅把 MOS 晶體管和寄生 MOS 晶體管作為必要的WAT測試結構,而二極管和雙極型晶體管是非必要的WAT測試結構。無源器件包括方塊電阻、通孔接觸電阻、金屬導線電阻和電容等。隔離結構包括有源區(AA)之間的隔離,多晶硅之間的隔離和金屬之間的隔離。WAT 參數是指有源器件、無源器件和隔離結構的電學特性參數。
WAT測試是非常重要的,因為這是晶圓產品出貨前第一次經過一套完整的電學特性測試流程,通過 WAT數據來檢驗晶圓產品是否符合該工藝技術平臺的電性規格要求,以及工藝制造過程是否存在異常。
WAT數據有很多方面的用途,把它歸納為以下七大類:
第一,WAT 數據可以作為晶圓產品出貨的判斷依據,對晶圓產品進行質量檢驗。所有的WAT數據必須符合電性規格要求,否則不允許出貨給客戶。
第二,對WAT數據進行數理統計分析。通過收集 WAT數據,獲取工藝技術平臺生產線的工藝信息,檢測各個 WAT參數的波動問題,評估工藝的變化的趨勢(如最近一段時間某一技術平臺 MOS 晶體管 Vt的數值按生產時間排列是否有逐漸變大或者變小趨勢),從而可以對工藝生產線進行預警,還可以通過分析特定的 WAT參數的數據得知相關工藝步驟的工藝穩定性。
第三,通過特定的 WAT 測試結構監測客戶特別要求的器件結構,檢測它們是否符合電性規格要求。
第四,通過 WAT 數據對客戶反饋回來的異常晶圓產品進行分析。對 WAT數據與良率(CP)做相關性,可以得到每個 WAT參數與CP 的相關性,再檢查相關性最強的WAT參數的相關工藝情況,這樣可以快速找出有問題的相關工藝步驟。
第五,代工廠內部隨機審查晶圓的可靠性測試(金屬互連線電遷移和柵氧化層的壽命等)。
第六,為器件工藝建模提供數據,通過測試不同尺寸器件的 WAT 參數數據,進行器件建模。
第七,測試和分析特定的WAT測試結構,改善工藝,或者開發下一代工藝技術平臺。
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原文標題:WAT 簡介-----《集成電路制造工藝與工程應用》 溫德通 編著
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