高效能、高稳定性的晶圆级测试系统
- 台北讯
半导体业长久以来一直倚赖稳定性测试,确保其装置能在特定使用期间维持必要效能。 随着IC制造商不断推出装置尺寸愈见精简的全新创新制程,业者需要确保这些变更所衍生的额外复杂性不会影响到自家IC的长期稳定性。 此外,有监于自动驾驶、云端数据储存与生命科学等领域的重要科技趋势,IC供应商不得不开始提供客户更高的产品稳定性保证,帮助他们顺利进行关键任务应用。
这两大趋势使得半导体制造商必须大幅增加所收集的稳定性数据量并加以分析,同时还必须设法降低测试成本。在面临以更低成本取得更多数据的难题下,许多稳定性工程师发现传统的稳定性解决方案已经不敷使用,因此他们开始转向模块化解决方案,藉由弹性地扩充规模以因应需求。而NI国家仪器,提供业界完整解决方案,若想先进一步了解半导体测试更聪明的解决方案,请至NI 半导体测试解决方案网站进一步了解。下方将简要说明为何您需要高效能、高稳定性的晶圆级测试系统?
1. 稳定性测试
装置稳定性模型通常在运行一段期间后会出现失败率,其中最高的失败率会在制造完成后立即出现,并在产品超出有用的使用寿命后再度出现。
图表左侧显示失败情况通常是由制造瑕疵所引起。生产过程中,这类型的失败可藉由筛选剔除,有效减少寄送至客户端的瑕疵零件数量。不过,生产期间所进行的功能测试非但无法找出导致装置提早磨耗的瑕疵,也无法为产品使用寿命提出建设性观点。另一方面,稳定性测试却可识别出这类失败机制,并预估产品的使用寿命。
稳定性测试涉及在装置的规格内进行极限应力测试(通常针对电压与温度),借此加速装置磨耗并依据已知的失败机制建立使用寿命模型。 这类测试可在晶圆或封装零件上进行。 晶圆级稳定性(WLR)无须额外成本即可在制造流程初期提供更多数据,且不会对IC切割及封装作业造成任何损伤。
2. 晶圆级稳定性
WLR之类的参数型测试能够撷取装置使用寿命及长期稳定性相关信息。这类测试通常不会在开发中的实际IC上进行,而是在内建于晶圆内,以收集参数数据专用的测试结构组合或专门压铸模上进行。 这类测试结构由晶体管、电容器与电阻器之类的基础晶圆元素所组成,用以对制造流程提供建设性观点。大多数的WLR测试会在过程中应用电压或电流之类的应力,然后量测装置响应以监控任何衰变徵万亿。 常用的失败机制包括偏移或负偏移温度不稳定性(BTI或NBTI)、热载波注入(HCI)、时间相依介电崩溃(TDDB)与电迁移效应 (EM)。
3. 打造WLR系统的传统方式
数十年来,WLR系统不管在量测功能与架构上都有不同。专业的WLR系统可能涉及高频率AC或脉冲激源;不过,大多数CMOS装置则是透过DC仪器来测试,例如电源量测单元(SMU),以便在收集参数数据时提供必要的应力与量测功能。 打造WLR系统的两种主要方式,有可能是打造传统仪控箱之类的机架堆叠系统,或是购买专门的现成系统。
机架堆叠系统
SMU是种高精确度DC仪器,一般来说费用昂贵,以致于您可以置入标准测试机架内的通道数量受到限制。在这些限制下,SMU通常会结合低泄漏切换矩阵以将信号从SMU绕送至数十个测试点,同时有效减少继电器所衍生的相关杂讯、漏电流与热EMF。 此方法在连续测试小量测试结构时可发挥功用,产生具有统计意义的稳定性数据。此外,就仪控箱而言,每个通道成本一般介于5,000至$10,000 美元,且受限于19寸测试机架仅有20或40个通道。由此看来,切换矩阵是个非常实用的延伸功能。而在众人对继电器的效能期望下,切换子系统通常只是WLR系统中占比庞大且价格不斐的元件。
现成系统
替代方案则是购买专门的现成系统,这类系统预先封装了各项必须元件,例如微波炉、测试机架、仪器与软件等。以您的测试需求为基准来测试设备功能,虽然省下开发与整合时间,却需要投入大量资金。这类系统通常以固定通道数量、硬件规格及软件来打造,并由厂商负责维护。系统厂商可能会将晶圆及封装稳定性系统分开贩售,或是无视测试需求差异而销售相同系统来因应不同的应用需求。
传统WLR系统所面临的挑战
不管是购买专门系统或是使用仪控箱打造机架堆叠系统,这两种传统的WLR方式在这数十年来都已尽其所能。 不过,许多工程师却发现,这类架构的扩充度不足以满足新兴通道密度与成本需求。
当装置需求变更,现成系统不是无法在修改测试软件或硬件时提供所需弹性,就是修改成本过于昂贵。
机架堆叠系统受到传统SMU仪控箱的低通道密度限制。 在打造不占空间的大量通道系统时,低密度要求不但是项挑战,更经常迫使工程师必须使用切换式拓扑,以便将SMU分工至多个针脚进行处理。 但是这种切换式拓扑很快成为技术瓶颈,因为这些针脚是采序列式 (而非平行) 测试,因此实务上无法实作需要常态应力并进行监控的先进应力演算法。
在面临这类挑战时,许多公司开始使用模块化仪器打造平行测试系统。
4. 打造WLR系统的全新方式
过去10年来,测试仪器市场版图因为PXI之类的模块化平台兴起之故,开始出现版图大挪移现象。由于模块化平台具备广泛I/O功能、迷你体积与弹性软件等特性,越来越适合用来打造自动化测试系统。
透过模块化方式,无须牺牲量测品质就能大幅减少WLR系统所占用的空间。开放式软件架构能便利您定义系统功能、修改测试内容,并随时依据需求改变新增硬件。 这当中包括整合最新的多核心处理器、透过健康与监控工具以最大化系统正常运作时间,以及增加 I/O处理能力。
高密度电源量测单元
藉由基于PXI的SMU来打造WLR系统,不但能为系统添增数百个SMU通道,同时还能让每个通道维持合理的占用空间与成本。NI SMU主要用来建构自动化测试系统,可以运用模块化架构将整体系统的通道数目与装置规格维持在最佳状态。 在高通道密度之下,就能避免SMU与晶圆之间放置切换器的需要。 反之,每个测试垫块可以直接与高精确度装置连接。这种「每针脚 SMU」架构可避免切换器对信号完整性、测试时间与测试常式弹性所造成的负面影响,协助您实作先进的应力量测演算法。
虽然每针脚SMU架构并非WLR系统全新引进的概念,NI SMU却能提供远比现有解决方案数量更多的通道。透过基于NI PXI的WLR系统,SMU能够提供下列优势:
1. 高密度:单一4U 19 寸PXI机箱最多可装载68个SMU通道,而单一自动化测试机架可装载多个机箱,为每个系统提供数百个独立的 SMU 通道。
2. 高精确度量测:介于10fA至10pA之间的量测敏感度,使您免于牺牲系统的量测品质。
3. 高速序列引擎:您可以将大量的硬件计时序列串流到系统的SMU中,并同步处理所有通道。此举可提供极为快速的执行率与关键的供应及取样品质。
4. 内建示波器:透过大于600 kS/s的取样率,您无须外部示波器即可撷取瞬变装置回复动作。
长时间正常运作与维修能力
无论是行内还是离线稳定性系统,都必须确保系统运作时间正常。一有任何行内系统故障,晶圆生产就会中止。离线稳定性测试时间通常会延长数月甚至是数年,可针对产品预期寿命提供重要参考数据。有监于这些要求,稳定性测试人员需要在实验期间维持上线并持续收集数据,因为只要测试人员一不小心犯错,就会导致实验失败。
PXI平台为开发能长时间正常运作的关键应用,提供了多项优势。 例如,您可以使用内含备援式热交换风扇与电源供应器的机箱来打造系统。当元件故障时,系统仍旧会持续运转,这时您可以直接更换该项元件,无须关闭系统电源并放弃实验。 此外,您可以从线上监控系统运作状况,查看包括风扇转速、温度、耗电量与其他代表即将发生失败情况的重要参数。
获得最新的商用处理器
平行测试系统不会因为缺少处理能力或通讯潜时而遭遇运算瓶颈。使用PXI建构平行WLR系统的好处之一,就是可以运用内含最新多核心Intel处理器的控制器。 此外,机箱背板可在处理器与模块之间进行低潜时通讯,并透过数码触发方式进行模块对模块通讯。对平行 WLR系统来说,这意味着您可以将详细的序列执行卸载至个别SMU,并保留控制器以供数据收集及分析之用。
5. PXI:竞争优势
传统的稳定性系统数十年如一日地做好分内之事;不过,这类系统在提供与分析大量稳定性数据的能力上,却开始显得力不从心。为了因应这些需求,许多公司开始将目光投向PXI之类的模块化平台,希望打造能长时间正常运作与具备最新商用处理器的高度平行WLR系统。藉由这类系统所具备的软件定义架构,企业可以保有对功能元件组块的掌控能力,同时因应需求随时扩充系统。 此举满足了企业以更低成本取得更多稳定性数据的需求,让他们得以好整以暇地因应未来变化迅速的测试需求。(本文由国家仪器提供,李佳玲整理报导)