不可或缺的射頻測試

　　問(wèn)題之一是對于超薄介質(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。

　　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。

附文：RF測試的創(chuàng )新設計

　　很多年以來(lái),晶圓級RF參數測試是給人的印象是頻率局限于6 GHz的"大鐵盒子"自動(dòng)測試設備（ATE），或者是不能用于生產(chǎn)的實(shí)驗室系統。對于統計過(guò)程表征與控制都是不實(shí)用的。為了解決現有系統的問(wèn)題，Keithley公司在2001年推出DC/RF系列參數測試機臺。最近，它提出了第三代的RF測試能力（如圖）。

　　利用這些系統，探針只需一次壓入，DC和R F測試就可以并行進(jìn)行。當RF測試進(jìn)行時(shí)，DC測試可以在后臺運行，或者相反，這取決于哪種測試更復雜。系統軟件提供實(shí)時(shí)的后序寄生消除處理和參數提取。

　　系統設計受到了幾家客戶(hù)成功合作的影響，使得所有公司的DC參數測試機臺在升級到第三代RF時(shí)都會(huì )大有收益（如表）。在半導體晶圓工廠(chǎng)中證明，不同技術(shù)人員使用生產(chǎn)設備的同一系統得到了相同的結果，在過(guò)去，即使是在實(shí)驗室級別的系統上或者其他供應商的設備上，這都是不可能的。

　　從一開(kāi)始，設計的目標就是使得fab設備操作人員能夠通過(guò)使用DC/RF參數測試系統，得到高質(zhì)量的RF測試結果?，F在，沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)RF培訓的操作人員只需要把晶圓放入測試系統，就能夠得到實(shí)驗室級別的結果。但操作人員要知道要測參數和器件的名字。

　　這些能力的獲得來(lái)源于專(zhuān)利、未決專(zhuān)利的軟硬件。每個(gè)系統包含的是業(yè)界最大的RF參數提取庫。

　　在65nm及以下結點(diǎn)，這是量產(chǎn)中高耗散因數（high D）、高介電常數(high K)材料RF C-V測試的唯一解決方案。Keithley是20GHZ以上唯一通過(guò)量產(chǎn)驗證的RF測試系統供應商。雖然這些系統主要是為了實(shí)驗室中的參數測試而設計，但是它在建模實(shí)驗室、量產(chǎn)參數監控以及后道功能測試中都是非常實(shí)用的。一個(gè)使用該測試機臺的實(shí)驗室報道，以前要花費13周的時(shí)間來(lái)收集和分析的數據，利用這個(gè)系統只需要一個(gè)8小時(shí)的工作日就可以完成。用這種系統驗證一個(gè)新的RF工藝模型可能在幾天內就可以完成，而如果用以前的RF方法則要花兩個(gè)多月的時(shí)間。

　　軟接觸（自動(dòng)Z方向調整）控制方式使得RF測試更出眾，耗材成本更低。這種新系統測量接觸電阻，從而限制探針變形量和探針疲勞。接觸電阻的值還被用來(lái)修正測量結果。

　　在別的系統中，RF探針最好的使用壽命是大約3000次壓觸。采用軟接觸控制，在一種應用中，客戶(hù)獲得的探針有效壽命高達300,000次壓觸。 另外，一個(gè)用戶(hù)的一套RF探針，甚至將要用到4百萬(wàn)次壓觸。在后面的一個(gè)案例中，六個(gè)月里少更換探針所節省下來(lái)的錢(qián)，可以支付由DC系統升級到RF系統的費用。

　　這套系統中探針控制的另外一個(gè)特點(diǎn)是更好地利用探針抬起的時(shí)間。當探針在尋址、針在空氣中時(shí)，系統進(jìn)行s參數測量以確定針尖是否變臟了。如果臟了的話(huà)，探針會(huì )移動(dòng)到清洗墊進(jìn)行清潔工作。300mm主機中，這種單次測試中能夠自動(dòng)觸發(fā)針尖清潔的功能與執行單條命令時(shí)的校準功能一樣，是這些第三代系統所特有的。

　　探針卡更換在RF測試機臺中非常頻繁，因此機械損傷時(shí)有發(fā)生。在許多其他系統中，機械互連需要使用轉矩扳手。這經(jīng)常會(huì )造成：扳手掉在探針卡上的事故性損傷，或者過(guò)扭損傷，或者連接不充分造成錯誤校準。在第三代系統中，操作者只需要簡(jiǎn)單地掀一下按鈕，探針卡出來(lái)、拿掉、新卡放在卡槽-所有這些都由機械手來(lái)做。此時(shí)測試頭在里面，因此對于大部分類(lèi)型的探針臺來(lái)說(shuō)，校準不會(huì )受到影響。