IC芯片的晶圓級射頻（RF）測試

對于超薄介質(zhì)，由于存在大的漏電和非線(xiàn)性，通過(guò)標準I-V和C-V測試不能直接提取氧化層電容(Cox)。然而，使用高頻電路模型則能夠精確提取這些參數。隨著(zhù)業(yè)界邁向65nm及以下的節點(diǎn)，對于高性能/低成本數字電路，RF電路，以及模擬/數?；旌想娐分械钠骷?，這方面的挑戰也在增加。

減少使用RF技術(shù)的建議是在以下特定的假設下提出來(lái)： 假設RF技術(shù)不能有效地應用，尤其是在生產(chǎn)的環(huán)境下，這在過(guò)去的確一直是這種情況。

但是，現在新的參數測試系統能夠快速、準確、可重復地提取RF參數，幾乎和DC測試一樣容易。最重要的是，通過(guò)自動(dòng)校準、去除處理(de- embedding)以及根據待測器件(DUT)特性進(jìn)行參數提取，探針接觸特性的自動(dòng)調整，已經(jīng)能夠實(shí)現RF的完整測試。這方面的發(fā)展使得不必需要RF 專(zhuān)家來(lái)保證得到好的測試結果。在生產(chǎn)實(shí)驗室，根據中間測試結果或者操作需要，自動(dòng)探針臺和測試控制儀能夠完成過(guò)去需要人為干涉的事情。世界范圍內，已經(jīng)有 7家半導體公司驗證了這種用于晶圓RF生產(chǎn)測試的系統。

RF測試的應用

無(wú)論你是利用III-V簇晶圓生產(chǎn)用于手機配件的RF芯片，還是利用硅技術(shù)生產(chǎn)高性能模擬電路，在研發(fā)和生產(chǎn)中預測最終產(chǎn)品的性能和可靠性，都 需要晶圓級RF散射參數(s)的測量。這些測試對DC數據是重要的補充，相對于單純的DC測試，它用更少的測試卻能提供明顯更多的信息。實(shí)際上，一個(gè)兩通 道的s參數掃描能同時(shí)提取阻抗和電容參數，而采用常規DC方法，則需要分開(kāi)測試，甚至需要單獨的結構以分離工藝控制需要的信息。

功放RF芯片的功能測試是這種性能的另外一種應用。這些器件非常復雜，然而價(jià)格波動(dòng)大。生產(chǎn)中高頻低壓的測試條件排除了通常阻礙晶圓級測試的功 耗問(wèn)題。也不存在次品器件昂貴的封裝費用。已知良品芯片技術(shù)也可以應用于晶圓級測試中，它能夠明顯改進(jìn)使用RF芯片的模塊的良率。

芯片制造商也可以利用晶圓級RF測試來(lái)提取各種高性能模擬和無(wú)線(xiàn)電路的品質(zhì)因數。比如濾波器、混頻器以及振蕩器。SoC(System-on-chip)器件制造商希望這種子電路測試技術(shù)能夠降低總體的測試成本。

130nm節點(diǎn)以下的高性能邏輯器件中，表征薄SiO2和高介電常數(high-k)柵介質(zhì)的等效氧化層厚度(EOT)非常關(guān)鍵。RF測試在介 電層的精確建模方面扮演了重要角色，它能夠去除掉寄生元件，而這種寄生效應在傳統的二元模型中將阻礙C-V數據的正確表示。中高頻 (MFCV, HFCV) 電容測量技術(shù)不可能因為儀器而對測試引入串聯(lián)阻抗。

標準I-V/C-V測試面臨的挑戰

產(chǎn)品研發(fā)階段的設計工程師采用的仿真模型，包括從s參數數據提取的RF參數和I-V/C-V數據。先進(jìn)的設計工具要求的是統計模型，不是單個(gè)的 一套參數。這使得良率和功能特性的最優(yōu)化成為可能。如果I-V和C-V參數基于統計結果，而RF不是的話(huà)，那么這個(gè)模型就是非物理的和不可靠的。

在有些情況下，比如電感、I-V和C-V信息的價(jià)值都非常有限。但是，Q在使用的頻率之下，作為電感表征和控制的參數，則具有很高的價(jià)值。I- V和C-V測試中面臨的挑戰是要理解，什么時(shí)候它是產(chǎn)品特性的主要表征，什么時(shí)候不是。許多模擬和無(wú)線(xiàn)器件特性的只要表征參數是Ft和Fmax。理想的情 況下，在第3諧波以外的使用情況下，它們是需要測量并提取出來(lái)的RF參數。對于數字和存儲器產(chǎn)品，只要器件的模型保持簡(jiǎn)化，那么I-V和C-V對于有源和 無(wú)源器件來(lái)說(shuō)都是很有價(jià)值的測量項目。前面提到的，柵介質(zhì)的測量具有復雜的C-V模型。

采用RF/RF C-V的顧慮

不可靠的測試會(huì )阻礙生產(chǎn)管理。好器件的壞測量結果被稱(chēng)為alpha錯誤。在生產(chǎn)中，這可能意味著(zhù)有晶圓被誤廢棄。讓人誤解的ITRS信息，以及 許多公司在他們的建模實(shí)驗室經(jīng)歷緩慢、艱苦的過(guò)程，這些結合起來(lái)都使得工程師不情愿采用量產(chǎn)RF測試，他們認為會(huì )有高的alpha錯誤率。

人們還認識到生產(chǎn)能力和運營(yíng)成本將是不可接受的，而且還需要高水準的技術(shù)支持來(lái)解釋測量結果。沒(méi)有可靠的校準、以及接觸電阻問(wèn)題所帶來(lái)的重復測 試，造成了早期的RF系統的低生產(chǎn)能力。過(guò)去舊系統的校準并不是對不同的測量頻率配置都有效。高的運營(yíng)成本還與手動(dòng)測試黃金標準校正片有關(guān)系，它用的是軟 墊和昂貴的RF探針，這種探針會(huì )由于過(guò)度壓劃而很快壞掉，從而成本大增。市場(chǎng)上還有一種錯誤的理解，認為晶圓級的s參數測試需要專(zhuān)門(mén)的探針和卡盤(pán)。

生產(chǎn)中關(guān)于RF測試需要額外關(guān)注的方面：

● 需要改變大量的測試結構。

● 結果不穩定，隨設備、人和時(shí)間的變化而發(fā)生變化。

● RF專(zhuān)家必須照顧呵護每一臺設備。

● 對于不同的批次可能需要完全不同的處理和操作流程。

● 懷疑這是否能夠成為實(shí)時(shí)技術(shù)。

● 實(shí)驗室級別的結果不可靠。

fab在這些認知的基礎上仍然維持現狀，像“瞎蒼蠅”一樣進(jìn)行著(zhù)RF芯片、新柵極材料和其他先進(jìn)器件的設計和工藝開(kāi)發(fā)。結果是設計與工藝的相互作用，大大增加了成本和走向市場(chǎng)的時(shí)間，同時(shí)還伴隨著(zhù)更低的初始良率。

生產(chǎn)解決方案

使晶圓級RF測試成為生產(chǎn)工藝控制工具的關(guān)鍵在于測試的完全自動(dòng)化。這意味著(zhù)機器人要把晶圓、校準標準、探針卡傳送到需要這些東西的地方。換句話(huà)說(shuō)，設計測試系統時(shí)一個(gè)主要的目標是沒(méi)有人為干預的情況下數據的完整性。

現在的第三代測試機臺具有達到40GHz的這種測試能力。不像實(shí)驗室的儀器，這些專(zhuān)門(mén)設計用于量產(chǎn)環(huán)境的測試機臺，根據不同的應用，支持從6到 65GHz的升級。要求第三代測試機臺能夠自動(dòng)進(jìn)行寄生去除處理，并根據DUT特性進(jìn)行選擇測試，這是獲得可信的Cox, Fmax和Q值所面臨的主要技術(shù)挑戰。這些算法，再加上改進(jìn)的互連技術(shù)，以及自動(dòng)的校準過(guò)程，使得從s參數測試迅速準確地提取RF參數成為可能。

精確的寄生去除處理包括糾正隨機的測量假象。比如，在一個(gè)特征阻抗為50Ω的系統中，接觸電阻的任何變化都會(huì )限制測量的可重復性。設備制造商必 須確定RF測試中所有不穩定的起源，從而在設計測量系統時(shí)有針對性地加以消除。系統互聯(lián)的創(chuàng )新設計改進(jìn)了系統中主要部件之間連接的可重復性。

設備制造商為了保證測量的可重復性，還要注意的其他方面如：測量自動(dòng)化，探針接觸阻抗的修正，探針變形量(overdrive)的調整，探針的 清潔初始化?？刂坪锰结樀淖冃瘟恳约氨匾獣r(shí)對探針進(jìn)行清洗，這些都會(huì )明顯延長(cháng)探針的壽命，這會(huì )降低主要的耗材成本(每根RF探針價(jià)值大約$1000)。這 應該也是測試機臺統計過(guò)程控制的一部分。

在具有穩定已知的誤差分布，以及不確定性特征的條件下，來(lái)源于收集數據的史密斯曲線(xiàn)就不會(huì )存在非物理假象;不再需要由專(zhuān)家來(lái)分析和解釋這些結果 了。在舊的系統中，RF測試專(zhuān)家需要對數據進(jìn)行監控(跟蹤每個(gè)測試系列的曲線(xiàn)等)，尋找奇怪的、或者意外的測量結果，然后分析這些結果以確認它們代表的是 工藝的變化，而不是測量的異常。

第三代參數測試儀通過(guò)改進(jìn)邏輯方法使得持續監控RF測量成為現實(shí)，降低甚或消除了對于RF專(zhuān)家技術(shù)支持的需求。使用這些系統，不周生產(chǎn)層面的操 作者能夠通過(guò)大量的產(chǎn)品和生產(chǎn)設備獲取可重復的、實(shí)時(shí)的測量結果。RF測試幾乎和DC測試一樣容易，它也成為完全表征晶圓器件時(shí)的必需之舉。實(shí)際上，一套 第三代系統可以同時(shí)進(jìn)行DC和RF測試見(jiàn)(“RF測試的創(chuàng )新設計”)。這個(gè)系統包含了許多其他的改進(jìn)，以提高產(chǎn)能，使它在工藝監控的量產(chǎn)晶圓級測試方面更 實(shí)用。這些特點(diǎn)加速了建模實(shí)驗室的測量工作，同時(shí)又不降低測量結果的實(shí)驗室級別，從而縮短了研發(fā)周期和進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。所有這些都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的系統升級 實(shí)現，而不必購買(mǎi)專(zhuān)用的探針臺。當校準規格存儲到探針臺后，操作流程與單純的DC測試一樣，只有在周期性的設備保養時(shí)才會(huì )變化。