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半導(dǎo)體制程的監(jiān)視器 參數(shù)測(cè)試讓制程更完善

ULSI制程技能的疾速開(kāi)展，讓半導(dǎo)體的根本組件(Device)曾經(jīng)可以做得十分小，為了抵達(dá)這個(gè)意圖，半導(dǎo)體制程(Process)技能就變的十分雜亂，尤其是如何讓每個(gè)半導(dǎo)體組件制程均能一致及制式化，將是一個(gè)值得研討及開(kāi)展的技能課題。 

比來(lái)幾年來(lái)，半導(dǎo)體科技另一個(gè)需求戰(zhàn)勝的技能是「牢靠度(Reliability)」的問(wèn)題。在10年前咱們可以運(yùn)用1.2微米的制程技能制作出1兆位的DRAM，而如今的DRAM制作廠商運(yùn)用了0.25微米的技能制作16兆位及256兆位的DRAM，乃至當(dāng)前全新奈米科技的開(kāi)展，使得咱們具有0.1微米以下的10億位(Gbit)DRAM產(chǎn)物。但相對(duì)地，由于在8吋或12吋晶圓(Wafer)上的半導(dǎo)體組件變小及數(shù)量增多，使得其根本的電性簡(jiǎn)略改動(dòng)及受損，乃至在規(guī)范的操作形式下，電子組件的機(jī)動(dòng)性(Mobility)簡(jiǎn)略下降、IC無(wú)法正常運(yùn)作；因而，如何保證IC可以正常作業(yè)超越10年以上，添加牢靠度測(cè)驗(yàn)將是僅有的辦法。 

處理半導(dǎo)體牢靠度的問(wèn)題，最簡(jiǎn)略的辦法就是下降操作電壓，但是下降操作電壓將使得IC特性及速度無(wú)法被增進(jìn)、組件的作業(yè)范圍變得更狹小。所以，當(dāng)前的半導(dǎo)體廠商們正盡力測(cè)驗(yàn)改動(dòng)組件描繪的布局，讓每道制程更制式化，但這將使得組件描繪艱難度添加、出產(chǎn)制程變得雜亂及工夫的耗費(fèi)，這些都會(huì)使良率(Yield)無(wú)法被堅(jiān)持及晉升，制作本錢就會(huì)進(jìn)步。所以，讓半導(dǎo)制程及組件描繪的技能抵達(dá)最佳化，而取得絕佳的半導(dǎo)體良率、牢靠度及制作本錢，將是將來(lái)一切半導(dǎo)體廠商盡力的方針。如圖1所示為半導(dǎo)體技能的趨勢(shì)，為了添加半導(dǎo)體的牢靠度，組件操作電壓下降，因而晶體管的截止電壓(Vth)也跟著下降。 

半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)驗(yàn)可改進(jìn)組件描繪與制程 

所謂的半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)驗(yàn)(Parametric Testing)是透過(guò)某些測(cè)驗(yàn)組件布局的電性量測(cè)，來(lái)打聽(tīng)及反響整個(gè)芯片的物理特性及制作進(jìn)程，而讓前段研制的人員可以透過(guò)這些電性量測(cè)的成果，來(lái)改進(jìn)組件的描繪及制程，咱們稱之為「Wafer Acceptance Testing(WAT)」。所以，WAT電性參數(shù)測(cè)驗(yàn)的成果通常拿來(lái)判別半導(dǎo)體組件能否如咱們描繪的方法被制作出來(lái)，并且斷定整個(gè)制作進(jìn)程很順暢地被完結(jié)。而通常由于半導(dǎo)體組件十分的小，所以實(shí)踐的物理特性，如組件的厚度、線寬及濃度是很難被量測(cè)出來(lái)的。但咱們可以透過(guò)電性參數(shù)的測(cè)驗(yàn)，很簡(jiǎn)略顛末一些公式的推導(dǎo)來(lái)計(jì)算出這些咱們想得到的值。因而，參數(shù)測(cè)驗(yàn)的成果就像是人體眼睛及耳朵般的成為半導(dǎo)體技能中的制程監(jiān)視器。 

如圖2所示，咱們可以透過(guò)精確的電性量測(cè)，包羅電壓、電流、電容，來(lái)取得制程中的參數(shù)，如電阻、截止電壓、晶體管增益及實(shí)踐組件的物理特性，如濃度、薄膜厚度線寬、氧化展電荷。 

參數(shù)測(cè)驗(yàn)可讓半導(dǎo)體制程最佳化 

個(gè)根本半導(dǎo)體芯片制作的流程，有必要顛末從研制到量產(chǎn)的進(jìn)程，如圖3所示。而對(duì)準(zhǔn)一個(gè)新的IC產(chǎn)物在試驗(yàn)室期間有必要具有有新的組件布局及領(lǐng)先制程，尤其是組件的描繪電路及IC光罩(Mask)局部更是重要。因而，要制作一個(gè)試驗(yàn)性的半導(dǎo)體芯片，全新的組件、制程及電路描繪是缺一不可的。例如組件流動(dòng)性的改動(dòng)，制程參數(shù)的改換，像是氣體流量的巨細(xì)，溫度蝕刻工夫等，這些改動(dòng)的因子都有必要靠半導(dǎo)體電性參數(shù)測(cè)驗(yàn)的成果來(lái)反響及改進(jìn)前段的描繪和制程。 

而當(dāng)芯片的良率抵達(dá)必定的期望值時(shí)，此新的制程就會(huì)被轉(zhuǎn)移到出產(chǎn)線來(lái)量產(chǎn)。在早期量產(chǎn)期間時(shí)能夠還會(huì)有許多的參數(shù)測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目，來(lái)反響前段制程的好壞，進(jìn)而改進(jìn)芯片的良率。同工夫，參數(shù)測(cè)驗(yàn)的成果會(huì)與后段功能性測(cè)驗(yàn)(Functional Testing)的數(shù)據(jù)做比擬，來(lái)抵達(dá)整個(gè)半導(dǎo)體制程的最佳化。 

顛末一段試驗(yàn)及量產(chǎn)期間后，良率若抵達(dá)咱們預(yù)期的成果，許多出產(chǎn)(Mass Production)就會(huì)被開(kāi)端，而出產(chǎn)在線的參數(shù)測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目及被量測(cè)組件的數(shù)目均會(huì)削減，由于會(huì)有許多的芯片需求出產(chǎn)及測(cè)驗(yàn)。此刻，最重要的是進(jìn)出的出產(chǎn)率(Throughput)，而參數(shù)測(cè)驗(yàn)在這個(gè)期間的首要意圖僅僅來(lái)查看在整個(gè)制程中能否有嚴(yán)峻的缺失。 

研制期間的參數(shù)測(cè)驗(yàn) 

在新制程的研制期間，一片晶圓的描繪面積可分為兩局部，一局部首要為IC集成電路芯片(IC Chip)，而另一部份為提供給參數(shù)測(cè)驗(yàn)用，咱們稱之為參數(shù)測(cè)驗(yàn)「模塊(Parametric Test Modules, PTM)」或「Test Element Group, TEG」。而參數(shù)測(cè)驗(yàn)?zāi)K中首要包羅的組件有晶體管、二極管、電阻、電容等，如圖4所示。在整個(gè)研制進(jìn)程中，IC集成電路芯片面積的比例會(huì)繼續(xù)地添加，參數(shù)測(cè)驗(yàn)?zāi)K的面積也會(huì)相對(duì)地減到最低。在此期間，半導(dǎo)體組件會(huì)以新的制程來(lái)制作全新的組件布局，一起參數(shù)測(cè)驗(yàn)?zāi)K中就會(huì)有適當(dāng)多的組件電性特性需求被精確地量測(cè)出來(lái)。而咱們就可以透過(guò)這些電性參數(shù)的成果，再以一些原理和公式來(lái)計(jì)算出制程進(jìn)程中的物理特性及表象。另一方面，有些參數(shù)測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目是用來(lái)仿真研制描繪時(shí)的電路，并不會(huì)在實(shí)踐的出產(chǎn)在線做量產(chǎn)，一起在此期間，牢靠衡量測(cè)也十分重要，其量測(cè)進(jìn)程需求更精準(zhǔn)及更長(zhǎng)的工夫。 

因而，研制期間最首要的使命是讓組件的描繪及制程可以最佳化，來(lái)抵達(dá)IC最棒的功能、最多的功能及最佳的牢靠度。所以，對(duì)準(zhǔn)新IC的制作進(jìn)程，如何縮短其研制反轉(zhuǎn)率(turn-around-time)，讓新的制程可以趕快地上許多出產(chǎn)的量產(chǎn)線是必需注重。 

量產(chǎn)期間的參數(shù)測(cè)驗(yàn) 

當(dāng)新的研制制程被充沛認(rèn)可后，就進(jìn)入了量產(chǎn)期間。此刻，參數(shù)測(cè)驗(yàn)?zāi)K的面積會(huì)削減，通常在一片芯片上能夠只剩下5點(diǎn)，如圖5所示。而在早期的量產(chǎn)期間參數(shù)測(cè)驗(yàn)?zāi)K內(nèi)的組件布局能夠仍與研制期間時(shí)是一樣的，但量測(cè)的組件及參數(shù)能夠會(huì)被選擇性的削減，如測(cè)驗(yàn)辦法會(huì)從線性的量測(cè)(Sweep)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)性量測(cè)(Spot)，并且量測(cè)的速度相對(duì)地比精準(zhǔn)度來(lái)得重要。 

此刻，參數(shù)測(cè)驗(yàn)最首要意圖是來(lái)查看制程進(jìn)程中能否有嚴(yán)峻缺失，并且與后段功能性測(cè)驗(yàn)做比擬，來(lái)反響前段的制程，進(jìn)而操控整個(gè)制作流程，來(lái)抵達(dá)增進(jìn)良率訴求。假如在參數(shù)測(cè)驗(yàn)的進(jìn)程中發(fā)現(xiàn)嚴(yán)峻問(wèn)題，則此芯片會(huì)被選擇出來(lái)，與制程中的光學(xué)及化學(xué)儀器做過(guò)錯(cuò)性的剖析，然后再做進(jìn)一步及更精確的量測(cè)，這也是為什么會(huì)在早期量產(chǎn)期間堅(jiān)持與研制期間一樣的組件布局了。 

當(dāng)然，制程抵達(dá)了適當(dāng)安穩(wěn)度及高良率時(shí)，芯片上能夠就不再需求參數(shù)測(cè)驗(yàn)?zāi)K了，取而代之的是在兩個(gè)IC間劃在線(Scribe-line Area)的參數(shù)組件布局，如圖6所示。此刻，最大的特征在于不再有參數(shù)測(cè)驗(yàn)?zāi)K在芯片上。因而，在后段功能性測(cè)驗(yàn)時(shí)可以得到完好的晶圓分布圖(Wafer Map)，但是也由于如此，當(dāng)有參數(shù)測(cè)驗(yàn)問(wèn)題發(fā)作時(shí)，相對(duì)就比擬艱難做過(guò)錯(cuò)性的剖析。 

根本的半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)驗(yàn) 

如圖7所示，是一個(gè)P-信道與N-信道晶體管所組合而成的CMOS反向器(Converter)，其電路看起來(lái)十分簡(jiǎn)略，但制程卻十分的雜亂，由其剖面圖可以打聽(tīng)整個(gè)制程至少能夠包羅了6道根本的順序－「Photolithography」、「Oxidation /Diffusion」、「Ion Implantation」、「Thin-film deposition」、「Plasma Etch」及「Metalli-zation」。這6道制程不只個(gè)另外順序雜亂，互相在制程的進(jìn)程中還有相關(guān)連性。 

所以，要完結(jié)一個(gè)CMOS的組件產(chǎn)物，能夠就需求300道的制程順序及將近2個(gè)月的工夫。因而，該如何運(yùn)用參數(shù)測(cè)驗(yàn)成果來(lái)預(yù)算雜亂制程的進(jìn)程？如表2所示，舉5個(gè)當(dāng)前最重要的參數(shù)測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)反響每道制程的成果。 

就如同前面所述，一個(gè)根本半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)驗(yàn)順序會(huì)包羅了許多的測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目，每個(gè)測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目均會(huì)有一個(gè)算法來(lái)計(jì)算前段制程的成果，尤其在研制期間乃至超越上百個(gè)測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目。 

而在很多的參數(shù)測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目中，電流/電壓(IV)量測(cè)是最常被運(yùn)用的參數(shù)項(xiàng)目之一，并且也是最重要的。如圖8所示，MOSFET、Bipolar及二極管是當(dāng)前業(yè)界最受歡送的半導(dǎo)體組件，咱們可以透過(guò)IV的曲線計(jì)算出晶體管組件的增益值及截止電壓，這也是一切半導(dǎo)體的工程人員最想打聽(tīng)的參數(shù)測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目。 

半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)驗(yàn)的成果都有必要經(jīng)由精細(xì)且疾速的參數(shù)測(cè)驗(yàn)設(shè)備所取得，例如測(cè)驗(yàn)機(jī)臺(tái)(Tester，Agilent 4070 series/4156)、探針機(jī)臺(tái)(Prober，TEL, TSK)、探針卡(Probe Card)等。尤其是在12吋晶圓及90奈米以下的技能標(biāo)準(zhǔn)需求下，超低電流及電容的量測(cè)技能是十分必要，所以讓量測(cè)技能可以做得更準(zhǔn)、量得更小，并且還可以更快，將是一切參數(shù)測(cè)驗(yàn)機(jī)臺(tái)設(shè)備的廠商所尋求的方針。 

因而，透過(guò)參數(shù)測(cè)驗(yàn)的成果可以反響IC制程、電路描繪及組件的特性，而可以概括下列5點(diǎn)為參數(shù)測(cè)驗(yàn)一切必要完結(jié)的作業(yè)。 

(1)描繪一系列的參數(shù)測(cè)驗(yàn)?zāi)K(PCM or test keys)在芯片上，其包羅了IC的制程電路描繪及組件特性。 

(2)裝置參數(shù)測(cè)驗(yàn)設(shè)備體系，包羅了測(cè)驗(yàn)機(jī)臺(tái)、接口的硬設(shè)備及軟件操作環(huán)境。 

(3)在參數(shù)測(cè)驗(yàn)?zāi)K上精準(zhǔn)及疾速的量測(cè)參數(shù)項(xiàng)意圖值。 

(4)透過(guò)這些參數(shù)量測(cè)的數(shù)據(jù)，剖析及計(jì)算出有用的信息，來(lái)反響前段制程及組件的特性。 

(5)提出改進(jìn)良率的處理方案。