目錄集成電路在線工藝監(jiān)控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【摘要】由于集成電路在生產(chǎn)過程中無(wú)法直接對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，因此需要設(shè)計(jì)一種監(jiān)控結(jié)構(gòu)，以此在生產(chǎn)過程中對(duì)其制程好壞進(jìn)行監(jiān)控。晶圓允收測(cè)試(WaferAcceptanceTest,WAT)是集成電路制程中的關(guān)鍵測(cè)試環(huán)節(jié)，晶圓允收測(cè)試本身并不參與制造集成電路，只在工藝流程執(zhí)行后對(duì)電路內(nèi)部的關(guān)鍵器件和結(jié)構(gòu)進(jìn)行直流電性測(cè)試，用來監(jiān)控前段工藝是否符合標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于晶圓允收測(cè)試來說，集成電路本身所要實(shí)現(xiàn)的具體功能并不重要，重要的是為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，該電路在晶圓上集成了哪些元器件和結(jié)構(gòu)，以及這些器件和結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求需要滿足什么樣的直流電性參數(shù)。本文針對(duì)一種功率器件詳細(xì)描述了其部分監(jiān)控結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其測(cè)試方法，并對(duì)測(cè)試所依賴的硬件和軟件環(huán)境做了介紹，主要內(nèi)容為：介紹晶圓允收測(cè)試在半導(dǎo)體制程中的重要性，并介紹本文的結(jié)構(gòu)框架；介紹測(cè)試硬件環(huán)境，即測(cè)試機(jī)、探針臺(tái)、探針卡等；設(shè)計(jì)三類在線工藝監(jiān)控結(jié)構(gòu)，并且解釋其測(cè)試方法；對(duì)測(cè)試程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且對(duì)測(cè)試設(shè)備自動(dòng)測(cè)試出的結(jié)果與手動(dòng)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證晶圓允收測(cè)試結(jié)果；結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況分析測(cè)試結(jié)果?！娟P(guān)鍵詞】晶圓允收測(cè)試，半導(dǎo)體制程，直流電性參數(shù)測(cè)試，測(cè)試鍵目錄第一章緒論 71.1 課題背景及意義 71.2 研究現(xiàn)狀 81.3 本論文工作任務(wù)及論文結(jié)構(gòu) 9第二章自動(dòng)化晶圓允收測(cè)試的硬件環(huán)境 102.1 測(cè)試硬件環(huán)境介紹 102.1.1 測(cè)試機(jī)簡(jiǎn)介 102.1.2 探針測(cè)試臺(tái)簡(jiǎn)介 122.1.3 全自動(dòng)絲杠式探針測(cè)試臺(tái) 132.1.4 測(cè)試探針卡 152.2 測(cè)試軟件環(huán)境介紹 152.3 本章小結(jié) 16第三章集成電路在線工藝監(jiān)控結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 173.1 集成電路在線工藝監(jiān)控結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 173.1.1 測(cè)試鍵簡(jiǎn)介 173.1.2 某功率器件的測(cè)試鍵結(jié)構(gòu) 183.2 測(cè)試參數(shù)介紹 183.2.1 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理 183.2.2 某功率器件晶圓允收測(cè)試的結(jié)構(gòu)介紹及分析 193.3 本章小結(jié) 22第四章 程序設(shè)計(jì)及結(jié)果分析 234.1 某功率器件的晶圓允收測(cè)試程序設(shè)計(jì) 234.1.1 某功率器件晶圓允收測(cè)試WaferSpec程序設(shè)計(jì) 234.1.2 某功率器件的晶圓允收測(cè)試DieSpec程序設(shè)計(jì) 244.1.3 某功率器件的晶圓允收測(cè)試ProberSpec程序設(shè)計(jì) 254.1.4 某功率器件的晶圓允收測(cè)試TestSpec程序設(shè)計(jì) 264.2 晶圓允收測(cè)試結(jié)果判定 294.3 某功率器件晶圓允收測(cè)試結(jié)果分析 304.4 本章小結(jié) 35第五章總結(jié)與展望 36參考文獻(xiàn) 37

第一章緒論第一章緒論1.1 課題背景及意義半導(dǎo)體材料是在常溫下導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，其導(dǎo)通與否是受控制的，非常具有應(yīng)用的潛力。在1947年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰·巴丁、布拉頓、肖克萊三人利用半導(dǎo)體材料發(fā)明了晶體管，晶體管是一種固體半導(dǎo)體器件，由半導(dǎo)體材料制作而成的，這是微電子技術(shù)發(fā)展中的第一個(gè)里程碑。晶體管出現(xiàn)后，人們就可以用一個(gè)體積相對(duì)較小，功率消耗較低的器件來代替體積大，功耗大的電子管了。但是當(dāng)時(shí)的晶體管由于體積還是較大，難以做到集成度的提升。在1958年，集成電路在德州儀器公司的杰克·基爾比（JackKilby，1923年11月8日-2005年6月20日）與仙童半導(dǎo)體公司的羅伯特·諾伊斯（RobertNoyce，1927年12月12日-1990年6月3日）手中應(yīng)運(yùn)而生。這兩位“集成電路的發(fā)明者”間隔數(shù)月分別發(fā)明了集成電路及集成電路大規(guī)模生產(chǎn)的方法。所謂集成電路，就是將一個(gè)電路中所需要的晶體管、電阻、電容和電感等元器件集成在一小塊半導(dǎo)體晶片上，使其成為具備所需電路功能的一種微型結(jié)構(gòu)。由于集成電路的出現(xiàn)，電子元器件在硅片上的集成度越來越高，體積越做越小，成本也越來越低，在人們的生活中的應(yīng)用也越來越廣泛?，F(xiàn)在人們的生活中已經(jīng)離不開集成電路，大到飛機(jī)火車，小到一個(gè)耳機(jī)都離不開集成電路的應(yīng)用。大規(guī)模集成電路的制造涉及的技術(shù)面極廣，其發(fā)展依賴于材料物理、器件物理、光學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制等學(xué)科的成果。集成電路生產(chǎn)過程中雖然有量測(cè)部門可以直接對(duì)制作完成后的晶圓進(jìn)行量測(cè)表征，但是那些缺陷都是表面可見的，有一些表面不可見的缺陷只能通過電性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，并由制程整合工程師去推斷是中間哪一道工序出問題導(dǎo)致缺陷的發(fā)生。如果是由機(jī)臺(tái)問題導(dǎo)致的，需要立馬停止機(jī)臺(tái)繼續(xù)生產(chǎn)，并排查原因。如果是制程的設(shè)計(jì)有問題，則需要停止產(chǎn)品的生產(chǎn)，重新調(diào)整好設(shè)計(jì)的制程，然后再讓產(chǎn)品繼續(xù)生產(chǎn)[1]。由于現(xiàn)在集成電路的集成度越來越高，設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，功能也越來越強(qiáng)大，但是這也給測(cè)試帶來了非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)。芯片本身的集成度越高，功能越強(qiáng)大，意味著測(cè)試項(xiàng)目越來越多，公司要求的是低成本且能夠快速上市的產(chǎn)品，這就要求測(cè)試人員必須快速而有效的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，以監(jiān)控芯片制程的好壞。因此測(cè)試這一環(huán)節(jié)不能再作為最后考慮的環(huán)節(jié)了，為了控制不斷增長(zhǎng)的測(cè)試難度，設(shè)計(jì)者必須在集成電路的開發(fā)過程早期就考慮到測(cè)試的需求。晶圓允收測(cè)試屬于芯片制造完成后的直流參數(shù)測(cè)試，本論文研究的主要內(nèi)容正是一種功率器件的晶圓允收測(cè)試在Keysight4082A測(cè)試機(jī)及TELPrecioXL探針測(cè)試臺(tái)測(cè)試環(huán)境下的具體實(shí)現(xiàn)。每個(gè)芯片的制作過程都分為幾十道甚至幾百道工序，芯片的制造就是讓晶圓在每個(gè)工藝制程間重復(fù)進(jìn)行的生產(chǎn)過程，最后再進(jìn)行晶圓允收測(cè)試，確保產(chǎn)品良好，最終才能將晶圓出貨。晶圓允收測(cè)試(WAT,waferacceptancetest)是一種不會(huì)直接制造產(chǎn)出的電性測(cè)試系統(tǒng)，它是在工藝流程結(jié)束后對(duì)晶圓做直流電性測(cè)試，用來檢驗(yàn)前段工藝制程是否能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。由于集成電路制造過程非常復(fù)雜，制造成本非常高，因此對(duì)工藝制程進(jìn)行監(jiān)控是非常必要的。晶圓允收測(cè)試是在芯片制造結(jié)束以后的第一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，能最快最直接的反映出集成電路制造工藝中的種種不足，能夠直接反應(yīng)芯片制作時(shí)集成的結(jié)構(gòu)的好壞，為工程師發(fā)現(xiàn)制程問題，改進(jìn)工藝提供依據(jù)，同時(shí)也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)在批量生產(chǎn)中發(fā)生的問題，避免生產(chǎn)過程中發(fā)生重大事故導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失[2]。1.2 研究現(xiàn)狀目前絕大多數(shù)晶圓廠的出貨檢測(cè)都是通過晶圓允收測(cè)試進(jìn)行的，如果測(cè)試通過則直接出貨。對(duì)于晶圓廠來說，只要晶圓通過了晶圓允收測(cè)試，則意味著晶圓廠的晶圓制造工藝沒有問題，不會(huì)對(duì)晶圓上所有的芯片繼續(xù)進(jìn)行功能驗(yàn)證[3]。目前只有少數(shù)幾家垂直整合制造（IDM，IntegratedDeviceManufacture）公司會(huì)在晶圓允收測(cè)試后在晶圓廠內(nèi)繼續(xù)對(duì)晶圓進(jìn)行減薄、背金后對(duì)整片晶圓上的所有芯片進(jìn)行測(cè)試[4]（CPtest，ChipProbingtest）后再送封。這樣做的好處是可以監(jiān)測(cè)到所有管芯的好壞，將不好的管芯剔除掉，減少封裝成本，但是公司則需要承擔(dān)在減薄過程中存在的碎片風(fēng)險(xiǎn)[5]。晶圓允收測(cè)試的測(cè)試方式幾乎沒有什么改變，因?yàn)闇y(cè)試結(jié)構(gòu)主要都是電阻、電容、場(chǎng)效應(yīng)管，這些器件的功能沒有改變，那么晶圓允收測(cè)試的測(cè)試方式就不會(huì)改變。對(duì)于晶圓允收測(cè)試來說，其發(fā)展的主要方向是通過提升硬件水平達(dá)到更精確的測(cè)試結(jié)果及更高效的測(cè)試效率。在現(xiàn)代化主流的12寸晶圓廠中，自動(dòng)化的測(cè)試設(shè)備是必不可少的，進(jìn)行自動(dòng)化的晶圓允收測(cè)試需要兩種設(shè)備進(jìn)行配合，其分別是探針測(cè)試臺(tái)及測(cè)試機(jī)。探針測(cè)試臺(tái)主要是用來將晶圓傳送到探針卡的下方使晶圓與探針卡進(jìn)行接觸，而測(cè)試機(jī)主要使用來輸出信號(hào)與測(cè)量被測(cè)器件[6]。目前市場(chǎng)上主流的測(cè)試設(shè)備都由國(guó)外的企業(yè)壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)品與外國(guó)企業(yè)的產(chǎn)品差距較大。探針測(cè)試臺(tái)主要由東京精密公司（TSK）、東京電子公司（TEL）兩大巨頭壟斷，而測(cè)試機(jī)主要由是德科技（Keysight）、愛德萬(wàn)公司（Advantest）和泰瑞達(dá)公司（Teradyne）壟斷。這些公司的測(cè)試設(shè)備都具有自動(dòng)化測(cè)試的功能，且都能達(dá)到高精度、高效的測(cè)試結(jié)果，是國(guó)內(nèi)外所有晶圓廠都熱衷的設(shè)備，國(guó)內(nèi)的兩家晶圓廠：長(zhǎng)江存儲(chǔ)及中芯國(guó)際的測(cè)試探針臺(tái)都主要使用東京精密公司的UF3000系列的產(chǎn)品。1.3 本論文工作任務(wù)及論文結(jié)構(gòu)本論文是在Keysight4082A測(cè)試機(jī)及TELPrecioXL探針測(cè)試臺(tái)的測(cè)試環(huán)境中研究如何結(jié)合晶圓廠的實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)對(duì)某功率器件的晶圓允收測(cè)試，并對(duì)測(cè)試中所涉及到的晶圓制程中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，然后對(duì)測(cè)試中的重要參數(shù)進(jìn)行具體分析，最后再用先進(jìn)器件分析儀KeysightB1505對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。論文的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容為：本文第一章為緒論，主要介紹晶圓允收測(cè)試在晶圓制程中的位置和重要性，并介紹本文的結(jié)構(gòu)框架。第二章、第三章、第四章和第五章為論文的主體，也是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。第二章的主要內(nèi)容：介紹本論文的硬件環(huán)境Keysight4082A測(cè)試機(jī)及TELPrecioXL探針測(cè)試臺(tái)；第三章的主要內(nèi)容：介紹某功率器件的幾種集成電路工藝監(jiān)控結(jié)構(gòu)，并對(duì)其測(cè)試方法進(jìn)行介紹；第四章的主要內(nèi)容：并且對(duì)測(cè)試機(jī)的測(cè)試程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，排查是否有測(cè)試問題，并與手動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，確定自動(dòng)測(cè)試結(jié)果；第五章的主要內(nèi)容：對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)未來的工作進(jìn)行進(jìn)一步的規(guī)劃和展望。

第二章自動(dòng)化晶圓允收測(cè)試的硬件環(huán)境Keysight4082A測(cè)試機(jī)機(jī)柜Keysight4082A測(cè)試頭TELPrecioXL探針測(cè)試臺(tái)在集成電路制造過程中要實(shí)現(xiàn)晶圓允收測(cè)試離不開專業(yè)的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備。自動(dòng)化晶圓允收測(cè)試設(shè)備包括測(cè)試機(jī)（Tester）、探針測(cè)試臺(tái)（Prober）和探針卡（ProberCard）三部分組成。本論文選用的測(cè)試設(shè)備是Keysight4082A測(cè)試機(jī)Keysight4082A測(cè)試機(jī)機(jī)柜Keysight4082A測(cè)試頭TELPrecioXL探針測(cè)試臺(tái)圖2-1Keysight4082A測(cè)試機(jī)及TELPrecioXL探針測(cè)試臺(tái)2.1 測(cè)試硬件環(huán)境介紹2.1.1 測(cè)試機(jī)簡(jiǎn)介測(cè)試機(jī)的基本功能是向被測(cè)芯片施加輸入信號(hào)，并且測(cè)量輸出信號(hào)，并且根據(jù)測(cè)試算法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析。半導(dǎo)體晶圓廠使用的測(cè)試機(jī)通常也被稱為自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（AutomaticTestEquipment，ATE）。大規(guī)模集成電路制造選擇自動(dòng)測(cè)試設(shè)備時(shí)主要要考慮的測(cè)試器件的規(guī)范，主要包括測(cè)試速度、測(cè)試準(zhǔn)確度、測(cè)試穩(wěn)定性、輸入管腳數(shù)、輸出管腳數(shù)以及是否有模擬信號(hào)和數(shù)?；旌闲盘?hào)測(cè)試要求等因素。其他需要考慮的方面包括測(cè)試機(jī)的價(jià)格、測(cè)試機(jī)再編程應(yīng)用方面的難易程度還有能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等。綜合各項(xiàng)因素，我們選擇了Keysight4082A測(cè)試機(jī)來完成本論文。Keysight4082A測(cè)試機(jī)分為機(jī)柜和測(cè)試頭兩部分，機(jī)柜的主要部件包括：電容測(cè)試儀（CMU）、頻譜分析儀（PNA）、高精度萬(wàn)用表（DVM）、電源管理模塊、系統(tǒng)控制器（SystemController）、風(fēng)扇模塊[7]。其中：（1）電容測(cè)試儀（CMU）：用于對(duì)電容結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，電容大小的測(cè)試范圍是1皮法至100納法，電容頻率的測(cè)試范圍是20赫茲至100兆赫茲；（2）頻譜分析儀（PNA）：用于測(cè)試一些與頻率相關(guān)的參數(shù)；（3）高精度萬(wàn)用表：用來實(shí)現(xiàn)高精度的電流和電壓測(cè)量；（4）電源管理模塊：用來將220V的交流電轉(zhuǎn)化為機(jī)臺(tái)內(nèi)部其他模塊所能夠使用的電源，且具有穩(wěn)壓、上電和下電時(shí)緩沖的作用；（5）系統(tǒng)控制器：起到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所有模塊的控制作用；（6）風(fēng)扇模塊：為測(cè)試機(jī)柜提供風(fēng)冷散熱，避免機(jī)柜內(nèi)部溫度過高導(dǎo)致硬件損壞。測(cè)試頭的主要部件包括8個(gè)電源檢測(cè)單元（SMU）、48個(gè)探針測(cè)試板（PinBoards）、1個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）電路板、1個(gè)處理器電路板。其中：（1）電源檢測(cè)單元：每個(gè)電源檢測(cè)單元均有自行校準(zhǔn)功能，并能進(jìn)行單獨(dú)配置提供電流或電壓，以及同時(shí)測(cè)量電流或電壓；（2）探針測(cè)試板：用于與探針卡進(jìn)行接觸，探針卡上的探針會(huì)與晶圓上的測(cè)試鍵直接接觸，并施加電流或電壓以實(shí)現(xiàn)測(cè)試；（3）模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路板：用于實(shí)現(xiàn)高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)化。Keysight4082A測(cè)試機(jī)的整體結(jié)構(gòu)圖如下：圖2-2Keysight4082A測(cè)試機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.1.2 探針測(cè)試臺(tái)簡(jiǎn)介探針測(cè)試臺(tái)是對(duì)制造好的晶圓上的半導(dǎo)體器件和集成電路芯片進(jìn)行在線測(cè)試時(shí)晶圓與測(cè)試機(jī)之間的連接設(shè)備，其主要功能在于將晶圓傳送到探針卡下方，并且讓探針卡能精確的扎到晶圓上我們需要測(cè)試的結(jié)構(gòu)上。按照晶圓本身的不同測(cè)試需求及電路特性，我們一般將探針測(cè)試臺(tái)分為特殊探針測(cè)試臺(tái)、通用探針測(cè)試臺(tái)和分析探針測(cè)試臺(tái)等。特殊探針測(cè)試臺(tái)我們又會(huì)按照測(cè)試環(huán)境不同分為高頻探針測(cè)試臺(tái)、發(fā)光二極管探針測(cè)試臺(tái)、遮光探針測(cè)試臺(tái)、高溫探針測(cè)試臺(tái)、低溫探針測(cè)試臺(tái)、霍爾效應(yīng)探針測(cè)試臺(tái)、表面電阻率探針測(cè)試臺(tái)等。如果根據(jù)自動(dòng)化程度來劃分，我們又可將探針測(cè)試臺(tái)分為全自動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)、半自動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)和手動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)。目前市場(chǎng)上的探針測(cè)試臺(tái)主要以半自動(dòng)和全自動(dòng)為主，按照測(cè)試晶圓大小還分有6寸、8寸、12寸等的機(jī)臺(tái)。如果按工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)劃分，又分有絲杠導(dǎo)軌/和平面電機(jī)兩種。探針測(cè)試臺(tái)的使用過程如下：（1）根據(jù)不同產(chǎn)品的圖形不同，將探針測(cè)試臺(tái)的針卡換成對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的針卡；（2）根據(jù)不同產(chǎn)品的條件建立不同產(chǎn)品的測(cè)試程序，一般來說我們需要的參數(shù)有：晶圓尺寸、圖形間距、扎針的位置等；（3）機(jī)臺(tái)運(yùn)行時(shí)的第一步是將晶圓拉直（Alignment），通過種種方式將晶圓放在承載臺(tái)（Chuck）上，通過“三點(diǎn)定圓”的方式找到晶圓圓心后，再通過我們?cè)O(shè)置的圖形將晶圓拉直；（4）將晶圓拉直后，機(jī)臺(tái)會(huì)通過扎針的位置與晶圓上一些特征點(diǎn)的距離，自動(dòng)將晶圓移動(dòng)達(dá)到探針的下方，然后抬起承載臺(tái)，使晶圓需要測(cè)試的位置與探針接觸，此時(shí)探針測(cè)試臺(tái)會(huì)向測(cè)試機(jī)發(fā)送一個(gè)開始測(cè)試的信號(hào)，測(cè)試機(jī)再給出測(cè)試需要的電流或者電壓，測(cè)試結(jié)束后，由測(cè)試機(jī)向探針測(cè)試臺(tái)給出測(cè)試結(jié)束的信號(hào)，探針測(cè)試臺(tái)再將承載臺(tái)下降，移動(dòng)到下一個(gè)需要測(cè)試的地方，再重新抬起承載臺(tái)，如此循環(huán)知道整片晶圓測(cè)試完畢。本次測(cè)試使用的使TELPrecioXL就屬于全自動(dòng)絲杠式探針測(cè)試臺(tái)[8]。2.1.3 全自動(dòng)絲杠式探針測(cè)試臺(tái)絲杠導(dǎo)軌型探針測(cè)試臺(tái)是一種傳統(tǒng)機(jī)型，控制相對(duì)簡(jiǎn)單、安裝精度易于保證、周期短、成本低。以12寸全自動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)的結(jié)構(gòu)為例，主要分為四大部分，分別是：工作臺(tái)、承載臺(tái)、自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和自動(dòng)上下片。相對(duì)于半自動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)，全自動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)增加了自動(dòng)上下片、熱測(cè)試和電荷耦合器件相機(jī)（CCD，chargecoupleddevice）自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)[9]。（1）X軸、Y軸工作臺(tái)對(duì)于全自動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)，準(zhǔn)確測(cè)試的基礎(chǔ)是要保證高精度的X軸、Y軸控制。晶圓在承載臺(tái)上通過電荷耦合器件相機(jī)自動(dòng)找正后，各個(gè)測(cè)試點(diǎn)順序測(cè)試,工作臺(tái)移動(dòng)的位置精度由X軸、Y軸精度保證。如果不能保證位置精度，在測(cè)第一個(gè)點(diǎn)時(shí)，即使探針能夠準(zhǔn)確地扎在扎針位置上，等到測(cè)試同一直線上的最后一個(gè)點(diǎn)時(shí)，由于累積誤差的結(jié)果，就不能保證探針與扎針位置的準(zhǔn)確性了，因此會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的偏差。所以保證X軸、Y軸精度對(duì)探針測(cè)試臺(tái)來說是非常重要的。目前的全自動(dòng)X軸、Y軸工作臺(tái)采用編碼器內(nèi)環(huán)負(fù)反饋和光柵外環(huán)負(fù)反饋的控制方式來控制伺服電機(jī)進(jìn)行工作。整機(jī)主控工控機(jī)負(fù)責(zé)向伺服電機(jī)多軸控制卡發(fā)送信號(hào)命令，驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的移動(dòng)。于此同時(shí)，備軸光柵記錄工作臺(tái)移動(dòng)的距離，移動(dòng)到指定的位置后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開始根據(jù)工控機(jī)要求，進(jìn)行相應(yīng)的工作。這種閉環(huán)控制方式不但可以保證X軸和Y軸的綜合精度，還可以減少長(zhǎng)時(shí)間使用后絲杠磨損對(duì)精度的影響，同時(shí)也可以提高X軸和Y軸運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。（2）承載臺(tái)承載臺(tái)通過多軸控制卡統(tǒng)一控制五相步進(jìn)電機(jī)，承載臺(tái)部分通過采用高剛性Z軸來保證晶圓測(cè)試時(shí)的穩(wěn)定性。Z軸剛性越高，則測(cè)試過程中變形越小，探針與扎針位置的接觸也就越穩(wěn)定。為滿足不同的測(cè)試要求，采用承載臺(tái)內(nèi)置加熱和冷卻，來實(shí)現(xiàn)高低溫測(cè)試。高低溫測(cè)試功能的通常都是由探針測(cè)試設(shè)備的測(cè)試附件來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)測(cè)試要求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)器件進(jìn)行-60~300攝氏度左右的高低溫測(cè)試及具有特殊要求的熱力學(xué)溫度77開爾文的超低溫測(cè)試。（3）自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)探針測(cè)試臺(tái)使用的關(guān)鍵是測(cè)試針要準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)扎針位置，這也是保證測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)。在以前的探針測(cè)試臺(tái)中，采用的是顯微鏡來進(jìn)行探針卡的對(duì)準(zhǔn)，日前在半自動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)上還在廣泛的延用。后來隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，集成電路變得越來越復(fù)雜，測(cè)試用的測(cè)試針越來越小，測(cè)試針數(shù)量也越來越多，受倍率、視場(chǎng)和景深的限制，顯微鏡對(duì)準(zhǔn)顯得越來越困難。所以全自動(dòng)系列探針測(cè)試臺(tái)開始采用電荷耦合器件相機(jī)來自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。這種對(duì)準(zhǔn)通過兩個(gè)攝像頭分別測(cè)量測(cè)試針針尖及晶圓的圖像采集數(shù)據(jù)來確定針尖與扎針位置的相對(duì)位置。首先將晶圓放在承載臺(tái)上，根據(jù)晶圓位置找對(duì)攝像頭焦距，并對(duì)晶圓進(jìn)行找正，然后通過針尖對(duì)準(zhǔn)攝像頭記錄針尖與扎針位置的相對(duì)位置，確保準(zhǔn)確測(cè)試，在晶圓對(duì)準(zhǔn)過程中，通過承載臺(tái)Z軸旋轉(zhuǎn)對(duì)晶圓進(jìn)行找正，使芯片的排列與工作臺(tái)移動(dòng)方向平行。晶圓找正首先要輸入芯片上有特征的點(diǎn)，電荷耦合器件相機(jī)可以在同一行自動(dòng)尋找相應(yīng)的點(diǎn)，然后計(jì)算出工作臺(tái)Z軸應(yīng)該旋轉(zhuǎn)的角度并發(fā)出信號(hào)控制工作臺(tái)來找正晶圓。在自動(dòng)測(cè)試過程中，找正后,由于每個(gè)晶圓的位置不同，還要將工作臺(tái)在X軸和Y軸方向移動(dòng)進(jìn)行位置找正，使每次放置在工作臺(tái)上的晶圓相對(duì)于探針處在同一位置。晶圓位置找正是通過“三點(diǎn)定圓”找到晶圓圓心的位置，并與設(shè)定的晶圓位置進(jìn)行比較，從而計(jì)算出X軸和Y軸的位置偏差，控制工作臺(tái)移動(dòng)。針尖的對(duì)準(zhǔn)依賴于預(yù)先錄入的扎針位置，錄入可以通過電荷耦合器件相機(jī)攝像頭獲得的圖像來進(jìn)行，在首次新一批晶圓測(cè)試時(shí)先需要進(jìn)行扎針位置的錄入，不同批號(hào)的晶圓扎針位置和尺寸大小是不同的。針尖對(duì)準(zhǔn)過程中，使用攝像頭測(cè)量多個(gè)針尖，計(jì)算出針尖的中心坐標(biāo)。然后確定針尖中心與扎針位置中心的相對(duì)坐標(biāo)，使針尖進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。而針尖的Z軸高度則是通過焦距的變化測(cè)量得到的。在自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的過程中，工控機(jī)根據(jù)晶圓找正和針尖對(duì)準(zhǔn)的各種測(cè)量數(shù)據(jù)，綜合針尖高度、扎針位置錄入的圖形位置、晶圓厚度等，來控制工作臺(tái)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，這樣就完成了針尖與扎針位置的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。（4）自動(dòng)上下片自動(dòng)上下片裝置是全自動(dòng)探針測(cè)試臺(tái)的重要組成部分之一，主要負(fù)責(zé)自動(dòng)轉(zhuǎn)載和自動(dòng)卸載晶圓。晶圓廠要實(shí)現(xiàn)晶圓允收測(cè)試的自動(dòng)化，自動(dòng)上下片裝置的實(shí)現(xiàn)是必不可少的，是保證整機(jī)自動(dòng)化工作的基本前提。自動(dòng)上下片裝置主要由升降臺(tái)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、機(jī)械手、子吸片盤和預(yù)對(duì)準(zhǔn)五個(gè)部分組成[10]。2.1.4 測(cè)試探針卡探針卡多用于測(cè)試分立器件，例如二極管和三極管，固定測(cè)試探卡是為了滿足逐漸增多的細(xì)間距存儲(chǔ)器和多引線面陣列邏輯芯片I/O測(cè)試和提高測(cè)試效率，通過多層印制電路板將幾百甚至幾千個(gè)測(cè)試探針按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)固定在一起，形成與IC芯片I/O管腳對(duì)應(yīng)的共面探測(cè)頭機(jī)構(gòu)，裝在探針測(cè)試臺(tái)上，通過承片臺(tái)的運(yùn)動(dòng)與被測(cè)晶圓的芯片管腳進(jìn)行接觸測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)良好的測(cè)試信號(hào)輸出。目前，探針卡上的可測(cè)I/O管腳數(shù)目已達(dá)1000以上，探針頭的排列間距為35~60μm，針尖直徑多在10~20μm,針桿的直徑多為100~200μm,共面度多為5~10μm以下，對(duì)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度約為3~5μm[11]。目前使用的測(cè)試探針卡材料多為鎢，雖然發(fā)生形變已經(jīng)減少，在使用多次以后仍然會(huì)出現(xiàn)針尖分岔的情況，在測(cè)試中，需要對(duì)探針扎針的位置進(jìn)行校準(zhǔn)。日常使用需要每天用無(wú)水酒精擦拭探針，同時(shí)需要定期送回生產(chǎn)廠家打磨針尖，當(dāng)然針尖每打磨一次都會(huì)變短一點(diǎn)，所以測(cè)試探針卡屬于晶圓允收測(cè)試的耗材，需要及時(shí)更新。現(xiàn)在已經(jīng)可以大量批次生產(chǎn)探針了，大幅度的降低了探針卡的生產(chǎn)成本與時(shí)間。制造過程中使用電鍍工藝完成高精度微細(xì)探針的制作，并且結(jié)合了壓電材料，使得每根探針具有壓強(qiáng)制反饋的設(shè)計(jì)，確保探針接觸力一致，將不必要的影響因素降到最低，提高了測(cè)試結(jié)果可靠度。隨著IC焊墊密度越來越高，每根探針的設(shè)計(jì)必須具有彈性以順應(yīng)焊墊或凸塊的高度差，以應(yīng)對(duì)芯片焊墊共面度不均的問題，避免探針太大的接觸力差異性太大，導(dǎo)致芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞或探針損壞。2.2 測(cè)試軟件環(huán)境介紹Keysight4082A的軟件環(huán)境基礎(chǔ)是KeysightSPECS-FA（即SemiconductorProcessEvaluationCoreSoftware-FactoryAutomation），SPECS–FA是KeysightSPECS的工廠自動(dòng)化版本，它不僅擁有KeysightSPECS的所有特性和功能，并且全面支持SEMI自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)E5（SECSII）、E30（GEM）、E87（CMS）、E39（OSS）、E40（PMS）、E90（STS）和E94（CJM）。此外，SPECS-FA能夠?qū)崟r(shí)報(bào)告4082A測(cè)試機(jī)和晶圓探頭的狀態(tài)。這意味著主控制器始終了解測(cè)試單元的精確狀態(tài)。事實(shí)上，這些功能使KeysightSPECS-FA成為12寸晶圓工廠的全球行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。KeysightSPECS-FA包含的測(cè)試工作有TestPlanNavigator、AlgorithmBuilder和TestPlanEditor。TestPlanNavigator的主要功能是執(zhí)行晶圓允收測(cè)試的主體部分，晶圓允收測(cè)試的主體部分分為WaferSpec、DieSpec、ProbeSpec和TestSpec四個(gè)部分，這四個(gè)部分環(huán)環(huán)相扣，相互有聯(lián)動(dòng)，共同組成了完整的晶圓允收測(cè)試的執(zhí)行程序；AlgorithmBuilder：AlgorithmBuilder的主要功能是編輯測(cè)試算法庫(kù)，在編輯好了測(cè)試算法以后，就不需要再經(jīng)常編輯了，最后的測(cè)試程序都會(huì)直接調(diào)用測(cè)試算法庫(kù)中的算法[12]；只有在有特定測(cè)試需求的情況下，才需要再新增測(cè)試算法。TestPlanNavigator中的四個(gè)部分會(huì)在第四章的測(cè)試程序設(shè)計(jì)部分結(jié)合程序設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，測(cè)試機(jī)系統(tǒng)會(huì)接收到由晶圓廠自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)送的指令，然后等待晶圓廠的自動(dòng)物料搬送系統(tǒng)將裝有晶圓的前開式晶圓傳送盒送到探針臺(tái)上，當(dāng)確定好晶圓實(shí)物與之前接受的指令一致后，測(cè)試機(jī)開始控制探針臺(tái)執(zhí)行測(cè)試命令。測(cè)試結(jié)束后，晶圓會(huì)放回前開式晶圓傳送盒，隨后前開式晶圓傳送盒會(huì)由自動(dòng)物料搬送系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)走。如此循環(huán)，即為晶圓允收測(cè)試的自動(dòng)化生產(chǎn)過程。2.3 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了本論文研究所使用的自動(dòng)化測(cè)試硬件環(huán)境，包含測(cè)試探針臺(tái)TELP12PrecioXL、探針卡和測(cè)試機(jī)Keysight4082A。除此以外，還簡(jiǎn)要描述了測(cè)試過程中會(huì)調(diào)用的執(zhí)行程序，最后介紹了在晶圓廠中自動(dòng)化晶圓允收測(cè)試的大致流程。第三章集成電路在線工藝監(jiān)控結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1 集成電路在線工藝監(jiān)控結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介3.1.1 測(cè)試鍵簡(jiǎn)介劃片道測(cè)試鍵管芯晶圓劃片道測(cè)試鍵管芯晶圓一個(gè)重復(fù)單元一個(gè)重復(fù)單元圖3-1測(cè)試鍵示意圖利用測(cè)試鍵對(duì)晶圓進(jìn)行測(cè)試的好處主要有兩點(diǎn)：（1）測(cè)試鍵可以直接對(duì)晶圓劃片道上集成的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試；（2）由于探針在芯片本身造成的任何劃痕都可能對(duì)芯片造成致命的損傷，因此對(duì)測(cè)試鍵進(jìn)行測(cè)試可以避免芯片內(nèi)部由于探針扎針造成的損傷。3.1.2 某功率器件的測(cè)試鍵結(jié)構(gòu)本論文將以某功率器件為例介紹測(cè)試鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在一個(gè)光罩的大小下，我們將某功率器件所在的12寸晶圓分為了94個(gè)重復(fù)單元，在每個(gè)重復(fù)單元中，都具有完全相同的結(jié)構(gòu)、包含了相同數(shù)量的管芯，在每個(gè)重復(fù)單元中的劃片道上都分布了完全相同的13條測(cè)試鍵。我們?cè)谖妩c(diǎn)測(cè)試法的基礎(chǔ)上，在晶圓的邊緣均勻地增加了四個(gè)點(diǎn)，總共九個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。在本論文中我們會(huì)介紹該功率器件三種測(cè)試鍵結(jié)構(gòu)：場(chǎng)效應(yīng)晶體管、兩端電阻、開爾文結(jié)構(gòu)電阻。3.2 測(cè)試參數(shù)介紹晶圓允收測(cè)試的參數(shù)可以分成兩個(gè)部分：（1）與制程有關(guān)的參數(shù)：接觸電阻、薄層電阻等；（2）與器件特性有關(guān)的參數(shù)：開啟電壓（Vth）、擊穿電壓（BV）等。3.2.1 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理下面將對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET，MetalOxideSemi-ConductorFieldEffectTransistor)進(jìn)行簡(jiǎn)單描述。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管可分為增強(qiáng)型和耗盡型，按導(dǎo)電溝道又可分為NPN型和PNP型，NPN型通常稱為N溝道型，PNP通常稱為P溝道型。對(duì)于N溝道的場(chǎng)效應(yīng)管，其源極（S，Source）和漏極（D，Drain）接在N型半導(dǎo)體上，同樣對(duì)于P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管來說，其源極和漏極接在P型半導(dǎo)體上。對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管來說，其輸出電流是由輸入電壓控制的，可以認(rèn)為當(dāng)輸入電壓即柵極（G，Gate）電壓為0時(shí)，該器件有很高的輸入阻抗。以NPN增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管為例，當(dāng)VGS=0V時(shí)，源·源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的二極管，在D·S之間加上電壓也不會(huì)在D·S之間形成電流。當(dāng)0<VGS<Vth時(shí)，由于柵極和襯底間形成了電容，將靠近柵極下方的空穴向襯底排斥，出現(xiàn)了一層耗盡層，所以仍然不足以形成漏極電流ID。當(dāng)VGS>Vth時(shí)，由于柵極電壓足夠大，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集了較多的電子，可以形成將源極和漏極導(dǎo)通的溝道，此時(shí)如果施加源·源之間的電壓，即可形成漏極電流ID。此時(shí)在柵極下方會(huì)形成一層反型層，之所以被稱為反型層是因?yàn)閷?dǎo)電溝道中的電子與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反。此時(shí)ID將隨著VGD的上升而上升。3.2.2 某功率器件晶圓允收測(cè)試的結(jié)構(gòu)介紹及分析接下來我們將介紹為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控在線工藝的目的我們?cè)O(shè)計(jì)的三類結(jié)構(gòu)，并且在進(jìn)行自動(dòng)化的晶圓允收測(cè)試前對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試，以便與自動(dòng)化的晶圓允收測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。（1）兩端電阻這種兩端電阻的測(cè)試鍵結(jié)構(gòu)一般是用來測(cè)試制程中存在的阻抗較大的結(jié)構(gòu)。以圖3-2為例，本測(cè)試鍵結(jié)構(gòu)是通過測(cè)試溝槽中多晶硅（Poly）的阻值以驗(yàn)證溝槽內(nèi)部多晶硅的阻抗。其測(cè)試方法是在電阻的兩端加上電流，然后測(cè)量?jī)啥说碾妷?，通過歐姆定律計(jì)算得到該電阻的大小。圖3-2兩端電阻內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖PAD6PAD7兩端電阻測(cè)試鍵版圖如圖3-3所示，外部有兩個(gè)焊盤用來扎針測(cè)試。PAD6PAD7圖3-3兩端電阻的版圖（2）開爾文結(jié)構(gòu)電阻開爾文結(jié)構(gòu)電阻不同于普通的兩端電阻，普通的兩端電阻的測(cè)試方法是將導(dǎo)線連接到電阻兩端，在電阻兩端施加電壓測(cè)電流或者施加電流測(cè)電壓，通過歐姆定律計(jì)算得到該電阻的大小[14]。而開爾文結(jié)構(gòu)電阻是一種四端電阻，其測(cè)試方法是在電阻兩端分別接上兩組共四根導(dǎo)線，如圖3-5所示。其中一組導(dǎo)線接上電流源，再用另外一組導(dǎo)線測(cè)試電壓；或者用其中一組導(dǎo)線接上電壓源，再用另外一組導(dǎo)線測(cè)試電流。這樣做的好處是可以消除導(dǎo)線本身的電阻帶來的誤差，可以使我們測(cè)量得更準(zhǔn)確。因此開爾文結(jié)構(gòu)的測(cè)試鍵一般用來測(cè)試一些阻抗較小，或者對(duì)測(cè)試精度要求較高的制程結(jié)構(gòu)。圖3-5開爾文測(cè)電阻電路原理圖EPIPOLYEPIPOLYILDPAD1PAD2OXIDEPAD3PAD4圖3-6開爾文結(jié)構(gòu)電阻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖PAD3PAD1PAD2PAD4開爾文結(jié)構(gòu)電阻測(cè)試鍵版圖如下：PAD3PAD1PAD2PAD4圖3-7開爾文結(jié)構(gòu)電阻的版圖（3）小型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（LittleMOSFET）在本功率器件的測(cè)試鍵中，我們也設(shè)計(jì)了一種LittleMOSFET，其作用是模擬實(shí)際生產(chǎn)的管芯結(jié)構(gòu)，以驗(yàn)證管芯結(jié)構(gòu)的合理性。對(duì)于該結(jié)構(gòu)，我們需要測(cè)試的參數(shù)有：開啟電壓（Vth）和源·源擊穿電壓（BVDSS）。EPIOXIDEPOLY1GATESOURCEEPIOXIDEPOLY1GATESOURCEDRAINEPIOXIDEPOLY1圖3-9LittleMOSFET結(jié)構(gòu)示意圖GateSourceLittleMOSFET測(cè)試鍵版圖如圖3-10所示，其源極的金屬管腳分布在右邊的七個(gè)溝槽上方，柵極分布在左邊的一個(gè)溝槽上方。GateSource圖3-10LittleMOSFET版圖測(cè)試方法如下：（1）開啟電壓Vth：開啟電壓是場(chǎng)效應(yīng)晶體管開始導(dǎo)通的輸入電壓，當(dāng)源柵之間電壓小于Vth時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。Vth的測(cè)試方法是源極接地，柵極與漏極同步給出0~5V的電壓，當(dāng)測(cè)得源·源之間電流為20uA時(shí)，認(rèn)為該MOSFET開啟。（2）源·源之間的擊穿電壓（BVDSS）：BVDSS是指在柵極與源極短接時(shí)，通過漏極的電流達(dá)到一定值時(shí)的源·源電壓。測(cè)試方法是將柵極與源極短接，然后在源·源之間給出0~40V的電壓，測(cè)量源·源之間的電流大小，當(dāng)源·源之間的電流大小達(dá)到250uA時(shí)，認(rèn)為源·源之間擊穿，此時(shí)的源·源之間的電壓為擊穿電壓[15]。3.3 本章小結(jié)本章對(duì)晶圓允收測(cè)試過程中的測(cè)試對(duì)象，即測(cè)試鍵進(jìn)行了敘述，并且指出了晶圓允收測(cè)試所實(shí)現(xiàn)的功能和不具備的功能，明確了晶圓允收測(cè)試的作用。還介紹了金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的工作原理及本論文中涉及到的測(cè)試鍵結(jié)構(gòu)，并對(duì)這些測(cè)試鍵結(jié)構(gòu)及測(cè)試方法進(jìn)行了詳細(xì)分析。第四章晶圓允收測(cè)試程序設(shè)計(jì)及結(jié)果分析第四章 程序設(shè)計(jì)及結(jié)果分析4.1 某功率器件的晶圓允收測(cè)試程序設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，我們需要借助自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備的幫助，在本論文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化測(cè)試過程中，起主導(dǎo)作用的是測(cè)試機(jī)Keysight4082A。前文提到，Keysight4082A測(cè)試機(jī)的軟件環(huán)境是KeysightSPECS-FA，能夠支持晶圓廠的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)，能夠負(fù)責(zé)與晶圓廠的自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行通訊。并且測(cè)試探針臺(tái)是不會(huì)與晶圓廠的自動(dòng)化系統(tǒng)直接通訊的，是由測(cè)試機(jī)直接控制的，因此測(cè)試機(jī)的測(cè)試程序就尤為重要，為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化，我們要進(jìn)行晶圓允收測(cè)試的程序設(shè)計(jì)。利用自動(dòng)化程序，我們可以快速準(zhǔn)確地對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，能夠提升測(cè)試效率。4.1.1 某功率器件晶圓允收測(cè)試WaferSpec程序設(shè)計(jì)WaferSpec的主要作用是定義測(cè)試范圍的名稱、位置和尺寸。在測(cè)試過程中，通過WaferSpec定義晶圓允收測(cè)試中需要測(cè)試的重復(fù)單元在晶圓上的大小、位置、數(shù)量和缺角（notch）朝向，并且在其中確定好這幾個(gè)需要測(cè)試的重復(fù)單元的測(cè)試順序。為了減少載物臺(tái)在測(cè)試過程中的移動(dòng)距離以提高效率，我們一般采用蛇形排列的順序。我們選取晶圓上的9個(gè)重復(fù)單元進(jìn)行測(cè)試，程序主體如下表4-1所示，在程序中，我們規(guī)定了晶圓的尺寸、重復(fù)單元的大小、晶圓缺角的朝向、晶圓上的基準(zhǔn)點(diǎn)以及需要測(cè)試的重復(fù)單元。表4-1晶圓允收測(cè)試WaferSpec程序主體設(shè)置的項(xiàng)目注釋SIZE=REAL,"mm"300晶圓尺寸STEPX=REAL,"μm"31680一個(gè)重復(fù)單元的長(zhǎng)度STEPY=REAL,"μm"25500一個(gè)重復(fù)單元的寬度FLAT=INTEGER,"deg"270晶圓缺角的朝向ALIGNDIEX=INTEGER-1對(duì)準(zhǔn)的基準(zhǔn)重復(fù)單元坐標(biāo)ALIGNDIEY=INTEGER5ALIGNMODX=REAL,"μm"0扎針位置的偏移量ALIGNMODY=REAL,"μm"0CENTERDIEX=INTEGER0中心重復(fù)單元坐標(biāo)CENTERDIEY=INTEGER0中心重復(fù)單元坐標(biāo)OFFSETDIEX=REAL0中心點(diǎn)的偏移量OFFSETDIEY=REAL0COORDINATE=INTEGER1WAFERSHAPE=INTEGER1`Y0XXXA`0,5需要測(cè)試的重復(fù)單元的坐標(biāo)`Y0XXXA`2,3`Y0XXXA`-2,3`Y0XXXA`-3,0`Y0XXXA`0,0`Y0XXXA`3,0`Y0XXXA`2,-3`Y0XXXA`-2,-3`Y0XXXA`0,-54.1.2 某功率器件的晶圓允收測(cè)試DieSpec程序設(shè)計(jì)DieSpec的主要作用是定義測(cè)試鍵在每個(gè)重復(fù)單元中的位置和名稱。每個(gè)重復(fù)單元的大小都是固定不變的，因此我們只需要定義其中某個(gè)重復(fù)單元中的測(cè)試鍵在該重復(fù)單元中的相對(duì)位置即可。我們會(huì)將每一條測(cè)試鍵的第一個(gè)測(cè)試鍵定義為整條測(cè)試鍵的原點(diǎn)，如果由于針卡的探針數(shù)量不夠，我們還會(huì)在原有測(cè)試鍵的基礎(chǔ)上再定義一條測(cè)試鍵以將探針移動(dòng)到后面沒有測(cè)試過的測(cè)試鍵上。假設(shè)一條測(cè)試鍵名稱為PCMA_1，這條測(cè)試鍵上分布了20個(gè)測(cè)試鍵，我們就會(huì)將前十個(gè)測(cè)試鍵定義為PCMA_1，將后十個(gè)測(cè)試鍵定義為PCMA_2。該晶圓的一個(gè)重復(fù)單元下共有13條測(cè)試鍵，本程序?qū)@13條測(cè)試鍵命名，并且以第一條測(cè)試鍵的第一個(gè)測(cè)試鍵為坐標(biāo)原點(diǎn)，設(shè)計(jì)了13條測(cè)試鍵的坐標(biāo)，程序主體如表4-2所示。表4-2晶圓允收測(cè)試DieSpec程序主體一條測(cè)試鍵的名稱這條測(cè)試鍵的第一個(gè)測(cè)試鍵的坐標(biāo)`Pcm_A`0,0`Pcm_B`0,-3693`Pcm_C`0,-7400`Pcm_D`0,-11093`Pcm_E`0,-14800`Pcm_F`-3960,0`Pcm_G`-3960,-3700`Pcm_H`-3960,-7400`Pcm_I`-3960,-11100`Pcm_L`-3960,-14800`Pcm_M`-7920,0`Pcm_N`-7920,-2800`Pcm_P`-7920,-56004.1.3 某功率器件的晶圓允收測(cè)試ProberSpec程序設(shè)計(jì)ProbeSpec的主要作用是定義探針卡上的探針與測(cè)試頭中的探針測(cè)試板通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系。前面在介紹測(cè)試機(jī)Keysight4082A時(shí)已經(jīng)介紹了該測(cè)試機(jī)的測(cè)試頭里包含了48個(gè)探針測(cè)試電路板，我們需要將測(cè)試頭里的48個(gè)探針測(cè)試電路板與探針卡上的探針聯(lián)系起來。由于受針卡探針數(shù)量的限制，我們?cè)跍y(cè)試時(shí)不可能遇到48個(gè)探針測(cè)試電路板同時(shí)被使用的情況，因此我們需要在測(cè)試程序里明確指出哪個(gè)探針用的是哪一塊探針測(cè)試版。我們使用的是10pin的探針卡進(jìn)行測(cè)試，但是這并不意味著我們只需要調(diào)用十個(gè)測(cè)試板，我們還需要調(diào)用一個(gè)額外的探針測(cè)試板連接到承載臺(tái)上與晶圓的背面相連。該程序的作用就是將探針卡上的探針與探針測(cè)試板對(duì)應(yīng)連接。ProberSpec主體程序如表4-3所示，第一列的焊盤（PAD）是指探針卡上與測(cè)試頭接觸的焊盤，第二列將探針連接的十個(gè)焊盤與探針測(cè)試板對(duì)應(yīng)連接，其中定義的第49個(gè)焊盤是探針測(cè)試臺(tái)中的承載臺(tái)。表4-3晶圓允收測(cè)試ProberSpec程序主體該P(yáng)AD的序號(hào)及連接的探針測(cè)試板PAD1,44PAD2,45PAD3,46PAD4,47PAD5,48PAD6,1PAD7,2PAD8,3PAD9,4PAD10,5PAD49,494.1.4 某功率器件的晶圓允收測(cè)試TestSpec程序設(shè)計(jì)TestSpec的主要作用是定義所有測(cè)試項(xiàng)目的使用算法、測(cè)試條件和輸出參數(shù)。TestSpec是晶圓允收測(cè)試執(zhí)行程序的核心，在這里面，會(huì)調(diào)用所有有用到的測(cè)試鍵、該測(cè)試鍵測(cè)試時(shí)需要調(diào)用的算法、測(cè)試條件以及輸出參數(shù)。根據(jù)要測(cè)試的測(cè)試鍵、測(cè)試算法、測(cè)試條件和輸出參數(shù)，我們可以編寫出TestSpec程序，程序主體如表4-4所示。說明：第一列是聲明需要測(cè)試的測(cè)試鍵；第二列是聲明調(diào)用的算法；第三列是輸入算法中設(shè)置的需要輸入的條件；第四列是算法中設(shè)置的輸出參數(shù)，此處有括號(hào)的參數(shù)表示是最終輸出的參數(shù)，沒有括號(hào)的代表著中間變量（如表中“R1”代表中間變量，而“R[1]”代表實(shí)際輸出的電阻值）；第五列是聲明算法中定義的輸入端口與實(shí)際的探針的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表4-4某功率器件晶圓允收測(cè)試TestSpec主體部分測(cè)試鍵的名稱調(diào)用的測(cè)試算法算法中定義的輸入條件輸出參數(shù)算法中定義的端口`Pcm_A`Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=100`R1`Ch1=1,Ch2=2CalculateInput=R1/1000`R[1]``Pcm_B`Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=10`R2`Ch1=3,Ch2=4CalculateInput=R6/0.7`R2_1`CalculateInput=R6_1`R[2]`Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=10`R3`Ch1=9,Ch2=10CalculateInput=(R7-0.2*R6_1)*2`R[3]``Pcm_C`Ilk_bdpVn=75,Scale="nA",Ilim=1E-5`R[4]`N=2,P=3Ilk_bdpVn=75,Scale="nA",Ilim=1E-7`R[5]`N=2,P=49Ilk_bdpVn=75,Scale="nA",Ilim=1E-5`R[6]`N=1,P=2Ilk_bdpVn=75,Scale="nA",Ilim=1E-5`R[7]`N=1,P=3Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=2`R[8]`Ch1=4,Ch2=5Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=2`R[9]`Ch1=6,Ch2=7Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=2`R[10]`Ch1=8,Ch2=9`Pcm_D`Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=2`R[11]`Ch1=2,Ch2=3Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=2`R12`Ch1=8,Ch2=9CalculateInput=R17/2.4`R[12]``Pcm_E`Bvceo_2_bdpPolarity=1,Vcstop=150,Vcstep=2,Ic=1E-6`R[13]`C=2,E=49Bvceo_2_bdpPolarity=1,Vcstop=150,Vcstep=2,Ic=1E-6`R[14]`C=1,E=49Rs_4t_jkL=1,W=1,I=0.01,D=1,Vcomp=100`R[15]`Ch1=3,Ch2=5,Ch3=4,Ch4=6Rs_4t_jkL=1,W=1,I=0.01,D=1,Vcomp=10`R[16]`Ch1=7,Ch2=9,Ch3=8,Ch4=10`Pcm_F`Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=2`R[17]`Ch1=1,Ch2=2Rs_4t_jkL=1,W=1,I=0.01,D=1,Vcomp=20`R[18]`Ch1=3,Ch2=5,Ch3=4,Ch4=6Rs_4t_jkL=1,W=1,I=0.01,D=1,Vcomp=20`R[19]`Ch1=7,Ch2=9,Ch3=8,Ch4=10`Pcm_G`Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=20`R20`Ch1=1,Ch2=2CalculateInput=R25/1000`R[20]`Bvceo_3Polarity=1,Vcstop=10,Vcstep=0.01,Ic=2e-5`R[21]`C=6,E=49,B=10Bvds1_jkPolarity=1,Vstop=150,Vstep=2,Ids=2.5E-4`R[22]`D=49,G=10,S=6`Pcm_H`Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=10`R[23]`Ch1=1,Ch2=2Bvceo_3Polarity=1,Vcstop=10,Vcstep=0.01,Ic=2e-5`R[24]`C=6,E=49,B=10Bvds1_jkPolarity=1,Vstop=150,Vstep=2,Ids=2.5E-4`R[25]`D=49,G=10,S=6`Pcm_I`Bvceo_3n_bdpPolarity=1,Vcstop=150,Vcstep=0.5,Ic=5E-6`R[26]`C=1,E=49,B=2Bvceo_3n_bdpPolarity=1,Vcstop=150,Vcstep=0.5,Ic=1E-6`R[27]`C=2,E=49,B=3`Pcm_L`Bvceo_3Polarity=1,Vcstop=10,Vcstep=0.01,Ic=2e-5`R[28]`C=4,E=49,B=8Bvds1_jkPolarity=1,Vstop=150,Vstep=2,Ids=2.5E-4`R[29]`D=49,G=8,S=4Bvceo_3nVcstop=150,Vcstep=2,Ic=1.5E-4`R[30]`C=9,E=10,B=49`Pcm_M`Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=100`R31`Ch1=1,Ch2=2CalculateInput=R44/1000`R[31]`Rs_4t_jkL=1,W=1,I=0.01,D=1,Vcomp=30`R[32]`Ch1=3,Ch2=5,Ch3=4,Ch4=6`Pcm_N`Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=100`R33`Ch1=1,Ch2=2CalculateInput=R47/1000`R[33]``Pcm_P`Resistor_iIch1=5E-5,Length=1,Width=1,Vcomp=100`R34`Ch1=1,Ch2=2CalculateInput=R48/1000`R[34]`Rs_4t_jkL=1,W=1,I=0.01,D=1,Vcomp=30`R[35]`Ch1=3,Ch2=5,Ch3=4,Ch4=6Rs_4t_jkL=1,W=1,I=0.01,D=1,Vcomp=30`R[36]`Ch1=7,Ch2=9,Ch3=8,Ch4=104.2 晶圓允收測(cè)試結(jié)果判斷依據(jù)每個(gè)晶圓允收測(cè)試的測(cè)試項(xiàng)都有上限、下限和目標(biāo)值，以判斷該測(cè)試項(xiàng)通過或者失敗，這點(diǎn)在下方的測(cè)試結(jié)果會(huì)有體現(xiàn)。我們會(huì)對(duì)制造結(jié)束后的所有晶圓采用九點(diǎn)測(cè)試法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后將數(shù)據(jù)上傳到判定系統(tǒng)，判定系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，以判斷測(cè)試的晶圓是否能符合標(biāo)準(zhǔn)。一般認(rèn)為有以下幾種判定標(biāo)準(zhǔn)：（1）某項(xiàng)參數(shù)不通過：即某一項(xiàng)測(cè)試參數(shù)的測(cè)試結(jié)果超出了我們?cè)O(shè)置的上限或者下限，則判定此參數(shù)測(cè)試不通過；（2）某個(gè)重復(fù)單元不通過：即某個(gè)重復(fù)單元中出現(xiàn)了某個(gè)重要參數(shù)或者多個(gè)測(cè)試參數(shù)不通過，則判定此重復(fù)單元測(cè)試不通過；（3）整片晶圓測(cè)試不通過：如果晶圓上測(cè)試的九個(gè)重復(fù)單元中出現(xiàn)了五個(gè)或更多的重復(fù)單元測(cè)試不通過，則判定該晶圓測(cè)試不通過。測(cè)試不通過的晶圓是無(wú)法出貨的，對(duì)于晶圓允收測(cè)試工程師來說，面對(duì)測(cè)試失敗的晶圓，我們需要先排查是否是測(cè)試本身造成了測(cè)試失敗。一般我們有以下幾種判斷方式：（1）檢查針?。禾结樖蔷A允收測(cè)試中直接與晶圓接觸的主要測(cè)試工具，因此我們首先要確定探針的針印是否扎在了正確的扎針位置上，如果探針扎錯(cuò)了位置，那后面的測(cè)試也就無(wú)從談起了。其次我們還要關(guān)注針印的深淺，如果一排針印中有某個(gè)針印較淺或者沒有，那么可以判斷這根探針的水平高度與其他探針不一致，這種針卡我們需要暫停使用，將其送修；如果是整排針印都較淺的話，那我們則需要調(diào)整扎針深度（Overdrive）。（2）檢查測(cè)試參數(shù)：是否出現(xiàn)同批晶圓的同項(xiàng)參數(shù)失效，這種失效有兩種可能，第一是晶圓本身的制程確實(shí)存在問題，第二是由于測(cè)試探針或者測(cè)試設(shè)備出現(xiàn)異常。通常的解決方法有兩種，第一是換一個(gè)機(jī)臺(tái)重測(cè)，交叉驗(yàn)證是否是由于設(shè)備故障導(dǎo)致的測(cè)試一場(chǎng)；第二是使用手動(dòng)探針臺(tái)對(duì)測(cè)試失效的參數(shù)進(jìn)行重測(cè)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果判斷出現(xiàn)問題的原因。（3）另外加測(cè)其他的重復(fù)單元：如果由于九個(gè)點(diǎn)的失效導(dǎo)致整片晶圓無(wú)法出貨的話，會(huì)導(dǎo)致公司損失較大，因此我們對(duì)于失效的晶圓會(huì)重新進(jìn)行整片其他重復(fù)單元的加測(cè)，加測(cè)有兩個(gè)作用，第一是找到符合標(biāo)準(zhǔn)可以出貨的重復(fù)單元，以挽回公司的損失；第二是將整片晶圓的數(shù)據(jù)收齊，通知制程整合工程師判斷是由前段哪道制程異常造成的。4.3 某功率器件晶圓允收測(cè)試結(jié)果分析測(cè)試程序編寫完畢，晶圓允收測(cè)試的設(shè)計(jì)還不能算完全結(jié)束，接下來需要通過具體的測(cè)試結(jié)果來檢查測(cè)試程序是否設(shè)計(jì)完好。我們?cè)谠嚠a(chǎn)的工程片中選取了一片晶圓進(jìn)行驗(yàn)證，雖然測(cè)試結(jié)果中有一些參數(shù)超出了設(shè)計(jì)范圍，但是檢測(cè)并不是由測(cè)試設(shè)備或者測(cè)試程序引起的異常，并且與手動(dòng)測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果相差不大，可以判斷本次功率器件的晶圓允收測(cè)試程序設(shè)計(jì)是成功的，測(cè)試程序可以用來量產(chǎn)。從表4-5中我們可以很清晰的看到每一項(xiàng)測(cè)試參數(shù)的名稱及其測(cè)試參數(shù)結(jié)果以及測(cè)試參數(shù)判定結(jié)果。具體測(cè)試參數(shù)如表4-5所示，第一列代表著測(cè)試的參數(shù)名稱；第二列是參數(shù)的重要性排序，從小到大重要性逐漸減?。?為最重要的參數(shù)，2、3依次遞減）；第三列代表著該測(cè)試參數(shù)的單位；第四、五、六列分別代表了測(cè)試參數(shù)設(shè)計(jì)的下限、目標(biāo)值和上限；第七列是通過晶圓允收測(cè)試得到的測(cè)試結(jié)果；第八列是系統(tǒng)自動(dòng)判斷測(cè)試結(jié)果是否在設(shè)計(jì)的規(guī)定范圍內(nèi)，如果是則顯示通過（Pass），如果不在范圍內(nèi)則顯示失敗（Fail）。表4-5自動(dòng)化晶圓允收測(cè)試結(jié)果測(cè)試參數(shù)名稱重要性排序使用單位參數(shù)下限目標(biāo)值參數(shù)上限測(cè)得參數(shù)結(jié)果Para_namePara_flagUnitOOS-TargetOOS+CR_PW1KOHM40470900862.73PassRS_PW1OHM2500375050004080.00PassRS_PW_NN1OHM5500750095006593.64PassIK_PL1_PL21nA150.51000.22PassIK_SG1_TR1nA05102.25PassIK_SG1_TR_TOP1nA050010000.21PassIK_ILD_PL21nA01002000.20PassRR_PL1_IPO1OHM30405048.01PassRR_PL1_NO_IPO1OHM2541.55832.38PassRR_PL2_IPO1OHM5010015070.07PassRR_PL2_IPO_NONN1OHM5010015077.97PassRS_NN1OHM2542.56055.44PassBV_SG2_TR1V3547.56045.09PassBV_SG1_TR1V4056.57367.27PassKL_CT_PW1OHM10155300283.00PassKL_CT_NN1OHM408513061.77PassCR_PL11OHM1000150020001840.00PassKL_CT_PL11OHM300350400313.50PassKL_CT_PL21OHM512.52013.53PassCR_PL21KOHM0501001.90PassVTH_MO11V2343.10PassBVDSS_MO11V0459030.00PassCR_NN1OHM5000700090008927.27PassVTH_MO21V1FailBVDSS_MO21V06012023.09PassBV_SG1_TR_PW1V6010515064.82PassBV_PL1_PL2_PW1V106512084.05PassVTH_MO31V1FailBVDSS_MO31V508512052.55PassDD_PW_DR_TR_M1V408012045.64PassCR_PW_11KOHM40220400350.64PassKL_CT_PW_11OHM02.550.01PassCR_PW_21KOHM40220400348.64PassCR_PW_31KOHM40220400347.91PassKL_CT_PL1_11OHM02.550.13PassKL_CT_PL2_11OHM02.550.06Pass為了驗(yàn)證自動(dòng)化測(cè)試程序測(cè)試結(jié)果，我們將其結(jié)果與手動(dòng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)：（1）兩端電阻表4-5中的RR_PL1_NO_IPO即前文提到的兩端電阻，測(cè)試的是溝槽中多晶硅的阻值，我們?cè)O(shè)計(jì)其阻值范圍在25~58Ω之間，如圖4-1所示（X軸為電流，Y軸為電壓，藍(lán)線為IV特性曲線，橙線為電阻阻值曲線），通過手動(dòng)測(cè)量可以看到：在我們給出50μA的電流時(shí)，可以得到此時(shí)電壓為1.55mV左右，電阻大小在31Ω至32Ω之間。而自動(dòng)化測(cè)試結(jié)果為31.38Ω，與手動(dòng)測(cè)試結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)，因此判斷此結(jié)構(gòu)的測(cè)試算法及測(cè)試程序是正確的。圖4-1兩端電阻的伏安特性曲線（2）開爾文結(jié)構(gòu)電阻表4-5中的KL_CT_PL1即前文提到的開爾文結(jié)構(gòu)電阻，測(cè)試的是溝道兩端多晶硅的接觸電阻，我們?cè)O(shè)計(jì)其阻值范圍為300~400Ω。如圖4-2所示（X軸為電流，Y軸為電壓，藍(lán)線為IV特性曲線，橙線為電阻阻值曲線），通過手動(dòng)測(cè)量可以看到：在電流達(dá)到10mA時(shí)，測(cè)量電壓為3.2mV左右，通過歐姆定律計(jì)算得到該電阻的大小為310Ω左右。而自動(dòng)化測(cè)試結(jié)果為313.5Ω，與手動(dòng)測(cè)試結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)，因此判斷此開爾文電阻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測(cè)試算法及測(cè)試程序是正確的。圖4-2開爾文電阻IV特性曲線（3）小型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（LittleMOSFET）表4-5中的VTH_MO1和BVDSS_MO1即對(duì)前文提到的LittleMOSFET這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控的參數(shù)。手動(dòng)測(cè)試結(jié)果：①開啟電壓Vth：開啟電壓是場(chǎng)效應(yīng)晶體管開始導(dǎo)通的輸入電壓，當(dāng)源柵之間電壓小于Vth時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)。Vth的測(cè)試方法是源極接地，柵極與漏極同步給出0~5V的電壓，當(dāng)測(cè)得源·漏之間電流為20μA時(shí)，認(rèn)為該MOSFET開啟。測(cè)試結(jié)果如圖3-11所示，當(dāng)Vth=3.1V時(shí)，IDS=20μA。而自動(dòng)化測(cè)試結(jié)果為3.1V，與手動(dòng)測(cè)試結(jié)果一致。圖4-3MOSFET開啟電壓IV特性曲線②源·漏之間的擊穿電壓（BVDSS）：BVDSS是指在柵極與源極短接時(shí)，通過漏極的電流達(dá)到一定值時(shí)的源·源電壓。測(cè)試方法是將柵極與源極短接，然后在源·源之間給出0~40V的電壓，測(cè)量源·源之間的電流大小。測(cè)試結(jié)果如圖3-12所示，當(dāng)IDS=250μA時(shí)，VDS=32V，即BVDSS=32V。而自動(dòng)化測(cè)試結(jié)果為