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半導體制程的監(jiān)視器 參數(shù)測試讓制程更完善

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

比來幾年來，半導體科技另一個需求戰(zhàn)勝的技能是「牢靠度(Reliability)」的問題。在10年前咱們可以運用1.2微米的制程技能制作出1兆位的DRAM，而如今的DRAM制作廠商運用了0.25微米的技能制作16兆位及256兆位的DRAM，乃至當前全新奈米科技的開展，使得咱們具有0.1微米以下的10億位(Gbit)DRAM產(chǎn)物。但相對地，由于在8吋或12吋晶圓(Wafer)上的半導體組件變小及數(shù)量增多，使得其根本的電性簡略改動及受損，乃至在規(guī)范的操作形式下，電子組件的機動性(Mobility)簡略下降、IC無法正常運作；因而，如何保證IC可以正常作業(yè)超越10年以上，添加牢靠度測驗將是僅有的辦法。 

處理半導體牢靠度的問題，最簡略的辦法就是下降操作電壓，但是下降操作電壓將使得IC特性及速度無法被增進、組件的作業(yè)范圍變得更狹小。所以，當前的半導體廠商們正盡力測驗改動組件描繪的布局，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，這些都會使良率(Yield)無法被堅持及晉升，制作本錢就會進步。所以，讓半導制程及組件描繪的技能抵達最佳化，而取得絕佳的半導體良率、牢靠度及制作本錢，將是將來一切半導體廠商盡力的方針。如圖1所示為半導體技能的趨勢，為了添加半導體的牢靠度，組件操作電壓下降，因而晶體管的截止電壓(Vth)也跟著下降。 

半導體參數(shù)測驗可改進組件描繪與制程 

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

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

參數(shù)測驗可讓半導體制程最佳化 

個根本半導體芯片制作的流程，有必要顛末從研制到量產(chǎn)的進程，如圖3所示。而對準一個新的IC產(chǎn)物在試驗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，要制作一個試驗性的半導體芯片，全新的組件、制程及電路描繪是缺一不可的。例如組件流動性的改動，制程參數(shù)的改換，像是氣體流量的巨細，溫度蝕刻工夫等，這些改動的因子都有必要靠半導體電性參數(shù)測驗的成果來反響及改進前段的描繪和制程。 

而當芯片的良率抵達必定的期望值時，此新的制程就會被轉(zhuǎn)移到出產(chǎn)線來量產(chǎn)。在早期量產(chǎn)期間時能夠還會有許多的參數(shù)測驗項目，來反響前段制程的好壞，進而改進芯片的良率。同工夫，參數(shù)測驗的成果會與后段功能性測驗(Functional Testing)的數(shù)據(jù)做比擬，來抵達整個半導體制程的最佳化。 

顛末一段試驗及量產(chǎn)期間后，良率若抵達咱們預期的成果，許多出產(chǎn)(Mass Production)就會被開端，而出產(chǎn)在線的參數(shù)測驗項目及被量測組件的數(shù)目均會削減，由于會有許多的芯片需求出產(chǎn)及測驗。此刻，最重要的是進出的出產(chǎn)率(Throughput)，而參數(shù)測驗在這個期間的首要意圖僅僅來查看在整個制程中能否有嚴峻的缺失。 

研制期間的參數(shù)測驗 

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)測驗用，咱們稱之為參數(shù)測驗「模塊(Parametric Test Modules, PTM)」或「Test Element Group, TEG」。而參數(shù)測驗模塊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。在整個研制進程中，IC集成電路芯片面積的比例會繼續(xù)地添加，參數(shù)測驗模塊的面積也會相對地減到最低。在此期間，半導體組件會以新的制程來制作全新的組件布局，一起參數(shù)測驗模塊中就會有適當多的組件電性特性需求被精確地量測出來。而咱們就可以透過這些電性參數(shù)的成果，再以一些原理和公式來計算出制程進程中的物理特性及表象。另一方面，有些參數(shù)測驗項目是用來仿真研制描繪時的電路，并不會在實踐的出產(chǎn)在線做量產(chǎn)，一起在此期間，牢靠衡量測也十分重要，其量測進程需求更精準及更長的工夫。 

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，來抵達IC最棒的功能、最多的功能及最佳的牢靠度。所以，對準新IC的制作進程，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)測驗 

當新的研制制程被充沛認可后，就進入了量產(chǎn)期間。此刻，參數(shù)測驗模塊的面積會削減，通常在一片芯片上能夠只剩下5點，如圖5所示。而在早期的量產(chǎn)期間參數(shù)測驗模塊內(nèi)的組件布局能夠仍與研制期間時是一樣的，但量測的組件及參數(shù)能夠會被選擇性的削減，如測驗辦法會從線性的量測(Sweep)轉(zhuǎn)換成點性量測(Spot)，并且量測的速度相對地比精準度來得重要。 

此刻，參數(shù)測驗最首要意圖是來查看制程進程中能否有嚴峻缺失，并且與后段功能性測驗做比擬，來反響前段的制程，進而操控整個制作流程，來抵達增進良率訴求。假如在參數(shù)測驗的進程中發(fā)現(xiàn)嚴峻問題，則此芯片會被選擇出來，與制程中的光學及化學儀器做過錯性的剖析，然后再做進一步及更精確的量測，這也是為什么會在早期量產(chǎn)期間堅持與研制期間一樣的組件布局了。 

當然，制程抵達了適當安穩(wěn)度及高良率時，芯片上能夠就不再需求參數(shù)測驗模塊了，取而代之的是在兩個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)測驗模塊在芯片上。因而，在后段功能性測驗時可以得到完好的晶圓分布圖(Wafer Map)，但是也由于如此，當有參數(shù)測驗問題發(fā)作時，相對就比擬艱難做過錯性的剖析。 

根本的半導體參數(shù)測驗 

如圖7所示，是一個P-信道與N-信道晶體管所組合而成的CMOS反向器(Converter)，其電路看起來十分簡略，但制程卻十分的雜亂，由其剖面圖可以打聽整個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道制程不只個另外順序雜亂，互相在制程的進程中還有相關(guān)連性。 

所以，要完結(jié)一個CMOS的組件產(chǎn)物，能夠就需求300道的制程順序及將近2個月的工夫。因而，該如何運用參數(shù)測驗成果來預算雜亂制程的進程？如表2所示，舉5個當前最重要的參數(shù)測驗項目來反響每道制程的成果。 

就如同前面所述，一個根本半導體參數(shù)測驗順序會包羅了許多的測驗項目，每個測驗項目均會有一個算法來計算前段制程的成果，尤其在研制期間乃至超越上百個測驗項目。 

而在很多的參數(shù)測驗項目中，電流/電壓(IV)量測是最常被運用的參數(shù)項目之一，并且也是最重要的。如圖8所示，MOSFET、Bipolar及二極管是當前業(yè)界最受歡送的半導體組件，咱們可以透過IV的曲線計算出晶體管組件的增益值及截止電壓，這也是一切半導體的工程人員最想打聽的參數(shù)測驗項目。 

半導體參數(shù)測驗的成果都有必要經(jīng)由精細且疾速的參數(shù)測驗設備所取得，例如測驗機臺(Tester，Agilent 4070 series/4156)、探針機臺(Prober，TEL, TSK)、探針卡(Probe Card)等。尤其是在12吋晶圓及90奈米以下的技能標準需求下，超低電流及電容的量測技能是十分必要，所以讓量測技能可以做得更準、量得更小，并且還可以更快，將是一切參數(shù)測驗機臺設備的廠商所尋求的方針。 

因而，透過參數(shù)測驗的成果可以反響IC制程、電路描繪及組件的特性，而可以概括下列5點為參數(shù)測驗一切必要完結(jié)的作業(yè)。 

(1)描繪一系列的參數(shù)測驗模塊(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)測驗設備體系，包羅了測驗機臺、接口的硬設備及軟件操作環(huán)境。 

(3)在參數(shù)測驗模塊上精準及疾速的量測參數(shù)項意圖值。 

(4)透過這些參數(shù)量測的數(shù)據(jù)，剖析及計算出有用的信息，來反響前段制程及組件的特性。 

(5)提出改進良率的處理方案。