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半导体制程的监视器 参数测试让制程更完善

ULSI制程技能的疾速开展,让半导体的根本组件(Device)曾经可以做得十分小,为了抵达这个意图,半导体制程(Process)技能就变的十分杂乱,尤其是如何让每个半导体组件制程均能一致及制式化,将是一个值得研讨及开展的技能课题。 

比来几年来,半导体科技另一个需求战胜的技能是「牢靠度(Reliability)」的问题。在10年前咱们可以运用1.2微米的制程技能制作出1兆位的DRAM,而如今的DRAM制作厂商运用了0.25微米的技能制作16兆位及256兆位的DRAM,乃至当前全新奈米科技的开展,使得咱们具有0.1微米以下的10亿位(Gbit)DRAM产物。但相对地,由于在8吋或12吋晶圆(Wafer)上的半导体组件变小及数量增多,使得其根本的电性简略改动及受损,乃至在规范的操作形式下,电子组件的机动性(Mobility)简略下降、IC无法正常运作;因而,如何保证IC可以正常作业超越10年以上,添加牢靠度测验将是仅有的办法。 

处理半导体牢靠度的问题,最简略的办法就是下降操作电压,但是下降操作电压将使得IC特性及速度无法被增进、组件的作业范围变得更狭小。所以,当前的半导体厂商们正尽力测验改动组件描绘的布局,让每道制程更制式化,但这将使得组件描绘艰难度添加、出产制程变得杂乱及工夫的耗费,这些都会使良率(Yield)无法被坚持及晋升,制作本钱就会进步。所以,让半导制程及组件描绘的技能抵达最佳化,而取得绝佳的半导体良率、牢靠度及制作本钱,将是将来一切半导体厂商尽力的方针。如图1所示为半导体技能的趋势,为了添加半导体的牢靠度,组件操作电压下降,因而晶体管的截止电压(Vth)也跟着下降。 

半导体参数测验可改进组件描绘与制程 

所谓的半导体参数测验(Parametric Testing)是透过某些测验组件布局的电性量测,来打听及反响整个芯片的物理特性及制作进程,而让前段研制的人员可以透过这些电性量测的成果,来改进组件的描绘及制程,咱们称之为「Wafer Acceptance Testing(WAT)」。所以,WAT电性参数测验的成果通常拿来判别半导体组件能否如咱们描绘的方法被制作出来,并且断定整个制作进程很顺畅地被完结。而通常由于半导体组件十分的小,所以实践的物理特性,如组件的厚度、线宽及浓度是很难被量测出来的。但咱们可以透过电性参数的测验,很简略颠末一些公式的推导来计算出这些咱们想得到的值。因而,参数测验的成果就像是人体眼睛及耳朵般的成为半导体技能中的制程监视器。 

如图2所示,咱们可以透过精确的电性量测,包罗电压、电流、电容,来取得制程中的参数,如电阻、截止电压、晶体管增益及实践组件的物理特性,如浓度、薄膜厚度线宽、氧化展电荷。 

参数测验可让半导体制程最佳化 

个根本半导体芯片制作的流程,有必要颠末从研制到量产的进程,如图3所示。而对准一个新的IC产物在试验室期间有必要具有有新的组件布局及领先制程,尤其是组件的描绘电路及IC光罩(Mask)局部更是重要。因而,要制作一个试验性的半导体芯片,全新的组件、制程及电路描绘是缺一不可的。例如组件流动性的改动,制程参数的改换,像是气体流量的巨细,温度蚀刻工夫等,这些改动的因子都有必要靠半导体电性参数测验的成果来反响及改进前段的描绘和制程。 

而当芯片的良率抵达必定的期望值时,此新的制程就会被转移到出产线来量产。在早期量产期间时能够还会有许多的参数测验项目,来反响前段制程的好坏,进而改进芯片的良率。同工夫,参数测验的成果会与后段功能性测验(Functional Testing)的数据做比拟,来抵达整个半导体制程的最佳化。 

颠末一段试验及量产期间后,良率若抵达咱们预期的成果,许多出产(Mass Production)就会被开端,而出产在线的参数测验项目及被量测组件的数目均会削减,由于会有许多的芯片需求出产及测验。此刻,最重要的是进出的出产率(Throughput),而参数测验在这个期间的首要意图仅仅来查看在整个制程中能否有严峻的缺失。 

研制期间的参数测验 

在新制程的研制期间,一片晶圆的描绘面积可分为两局部,一局部首要为IC集成电路芯片(IC Chip),而另一部份为提供给参数测验用,咱们称之为参数测验「模块(Parametric Test Modules, PTM)」或「Test Element Group, TEG」。而参数测验模块中首要包罗的组件有晶体管、二极管、电阻、电容等,如图4所示。在整个研制进程中,IC集成电路芯片面积的比例会继续地添加,参数测验模块的面积也会相对地减到最低。在此期间,半导体组件会以新的制程来制作全新的组件布局,一起参数测验模块中就会有适当多的组件电性特性需求被精确地量测出来。而咱们就可以透过这些电性参数的成果,再以一些原理和公式来计算出制程进程中的物理特性及表象。另一方面,有些参数测验项目是用来仿真研制描绘时的电路,并不会在实践的出产在线做量产,一起在此期间,牢靠衡量测也十分重要,其量测进程需求更精准及更长的工夫。 

因而,研制期间最首要的使命是让组件的描绘及制程可以最佳化,来抵达IC最棒的功能、最多的功能及最佳的牢靠度。所以,对准新IC的制作进程,如何缩短其研制反转率(turn-around-time),让新的制程可以赶快地上许多出产的量产线是必需注重。 

量产期间的参数测验 

当新的研制制程被充沛认可后,就进入了量产期间。此刻,参数测验模块的面积会削减,通常在一片芯片上能够只剩下5点,如图5所示。而在早期的量产期间参数测验模块内的组件布局能够仍与研制期间时是一样的,但量测的组件及参数能够会被选择性的削减,如测验办法会从线性的量测(Sweep)转换成点性量测(Spot),并且量测的速度相对地比精准度来得重要。 

此刻,参数测验最首要意图是来查看制程进程中能否有严峻缺失,并且与后段功能性测验做比拟,来反响前段的制程,进而操控整个制作流程,来抵达增进良率诉求。假如在参数测验的进程中发现严峻问题,则此芯片会被选择出来,与制程中的光学及化学仪器做过错性的剖析,然后再做进一步及更精确的量测,这也是为什么会在早期量产期间坚持与研制期间一样的组件布局了。 

当然,制程抵达了适当安稳度及高良率时,芯片上能够就不再需求参数测验模块了,取而代之的是在两个IC间划在线(Scribe-line Area)的参数组件布局,如图6所示。此刻,最大的特征在于不再有参数测验模块在芯片上。因而,在后段功能性测验时可以得到完好的晶圆分布图(Wafer Map),但是也由于如此,当有参数测验问题发作时,相对就比拟艰难做过错性的剖析。 

根本的半导体参数测验 

如图7所示,是一个P-信道与N-信道晶体管所组合而成的CMOS反向器(Converter),其电路看起来十分简略,但制程却十分的杂乱,由其剖面图可以打听整个制程至少能够包罗了6道根本的顺序-「Photolithography」、「Oxidation /Diffusion」、「Ion Implantation」、「Thin-film deposition」、「Plasma Etch」及「Metalli-zation」。这6道制程不只个另外顺序杂乱,互相在制程的进程中还有相关连性。 

所以,要完结一个CMOS的组件产物,能够就需求300道的制程顺序及将近2个月的工夫。因而,该如何运用参数测验成果来预算杂乱制程的进程?如表2所示,举5个当前最重要的参数测验项目来反响每道制程的成果。 

就如同前面所述,一个根本半导体参数测验顺序会包罗了许多的测验项目,每个测验项目均会有一个算法来计算前段制程的成果,尤其在研制期间乃至超越上百个测验项目。 

而在很多的参数测验项目中,电流/电压(IV)量测是最常被运用的参数项目之一,并且也是最重要的。如图8所示,MOSFET、Bipolar及二极管是当前业界最受欢送的半导体组件,咱们可以透过IV的曲线计算出晶体管组件的增益值及截止电压,这也是一切半导体的工程人员最想打听的参数测验项目。 

半导体参数测验的成果都有必要经由精细且疾速的参数测验设备所取得,例如测验机台(Tester,Agilent 4070 series/4156)、探针机台(Prober,TEL, TSK)、探针卡(Probe Card)等。尤其是在12吋晶圆及90奈米以下的技能标准需求下,超低电流及电容的量测技能是十分必要,所以让量测技能可以做得更准、量得更小,并且还可以更快,将是一切参数测验机台设备的厂商所寻求的方针。 

因而,透过参数测验的成果可以反响IC制程、电路描绘及组件的特性,而可以概括下列5点为参数测验一切必要完结的作业。 

(1)描绘一系列的参数测验模块(PCM or test keys)在芯片上,其包罗了IC的制程电路描绘及组件特性。 

(2)装置参数测验设备体系,包罗了测验机台、接口的硬设备及软件操作环境。 

(3)在参数测验模块上精准及疾速的量测参数项意图值。 

(4)透过这些参数量测的数据,剖析及计算出有用的信息,来反响前段制程及组件的特性。 

(5)提出改进良率的处理方案。

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