微電子器件基礎(chǔ)- 課件 第6章 表征與測量

第六章

表征與測量第六章表征與測量表征是對沒有標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)或特性進(jìn)行研究。測量是按照國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，確保測試是有意義。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的表征和測量半導(dǎo)體測試具有“及時性”????????原位測試，即監(jiān)測半導(dǎo)體材料器件在實時和原位條件下的變化，也是以無損檢測技術(shù)為主的，對測試速度和測試環(huán)境有更高的要求。離線測試：無太多限制，可以使用機(jī)械、電子束、離子束等。在線測試：多以無損檢測技術(shù)為主，比如光學(xué)、激光、X射線、光電、電容、超聲波及熱磁等。第六章表征與測量6.1來料檢測類型：以用途不同分類；質(zhì)量：純度要求在99.999999999%以上，表面平整度小于1nm，微粒小于1nm；（以12寸單晶硅晶圓為例）工業(yè)生產(chǎn)中的晶圓（1）表面缺陷（2）電阻率（3）導(dǎo)電類型（4）其他相關(guān)的測試項目全自動晶圓挑片分選機(jī)AP-1800晶圓檢測儀

NC-6800方法目的用途拋光片研磨和化學(xué)腐蝕去除平整性瑕疵，去除表面缺陷存儲芯片、功率器件外延片以原始硅片為籽晶進(jìn)行薄膜沉積控制晶格缺陷，滿足線寬需求；調(diào)控外延層參數(shù)，優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)CPU、GPU等先進(jìn)制程退火片在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行高溫退火減少拋光引起局部的原子晶格缺陷及硅片表面的含氧量CMOS電路、DRAMSOI片鍵合或離子注入減小寄生電容、抑制短溝道效應(yīng)，提高集成度、提高運行速度、降低功耗射頻芯片、功率器件、傳感器等結(jié)隔離片光刻、離子注入和熱擴(kuò)散實現(xiàn)客戶特定的電氣性能需求—第六章表征與測量6.1來料檢測表面冗余物：通過計數(shù)每平方厘米多少個顆粒；（8寸晶圓表面每平方厘米少于0.13個顆粒，尺寸要小于或等于0.08μm）晶體缺陷：通過計數(shù)的方式計算缺陷密度；（12寸晶圓中每平方厘米的缺陷不到1個）表面缺陷人工目檢（鏡檢）：人工獲取圖像+人工識別半自動檢測AVI：自動獲取圖像+人工識別自動光學(xué)檢測AOI：自動獲取圖像+機(jī)器視覺識別相關(guān)的測試項目機(jī)械劃傷：不允許存在，通過研磨拋光等方式消除；一般只做外觀測試，不能做功能測試，主要采用光學(xué)的方式進(jìn)行檢測或捕捉。第六章表征與測量6.1來料檢測圖像采集攝影系統(tǒng)（光電傳感器）、照明系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理背景噪聲減?。ǖ屯V波+積分/平均值平滑）、圖像增強(qiáng)和銳化等（例如二值化、傅里葉變換、直方圖）；圖像分析特征提?。ㄈ缰狈綀D）、分割圖像(如灰度閾值分割法）、模板比較（包括模板匹配、模式匹配、統(tǒng)計模式匹配等）；缺陷報告增加比對次數(shù)和擴(kuò)大范圍進(jìn)行多重判定；表面缺陷——AOI第六章表征與測量6.1來料檢測電阻率晶圓圖（WaferMapping）IC芯片用硅片：1～10Ω·m功率器件用硅片：MΩ級正方形薄層在半導(dǎo)體工業(yè)中，方塊電阻Rs是設(shè)計和制造之間的接口基于編碼來可視化半導(dǎo)體器件或芯片的性能；可擴(kuò)展到設(shè)計、封裝、測試等步驟中，實現(xiàn)半導(dǎo)體工業(yè)全流程的可追溯性；分析半導(dǎo)體制造過程中數(shù)據(jù)的最流行的方法之一。第六章表征與測量6.1來料檢測電阻率——接觸測量四探針法直接測量，作為其他方法測量的參考標(biāo)準(zhǔn)；線性四點法：測量傳感方向電阻率不同；范德堡法：圍繞樣品周邊放置的探針；（常與霍爾系數(shù)測試集成在一起）肖特基結(jié)探針法三探針法：一根探針與半導(dǎo)體構(gòu)成肖特基結(jié)；C-V法：探針與硅片表面接觸，形成金-半結(jié)構(gòu)；測量電阻率與深度的關(guān)系：剝離表面（薄層）→測量電阻率→剝離→測量...第六章表征與測量6.1來料檢測電阻率——非接觸測量電學(xué)測量電容法、電感法、微波法等；渦流法：電感法的一種，用于測試均勻摻雜晶圓、半導(dǎo)體上金屬層的電阻和厚度。非電學(xué)測量以光學(xué)方法為主;光調(diào)制光反射（熱探針）：主要用于測量低劑量離子注入；太赫茲時域光譜：高靈敏度；Therma-Probe?680XP第六章表征與測量6.1來料檢測幾何尺寸——直徑幾何尺寸——厚度通過中心點橫穿表面且不包含參考面或基準(zhǔn)區(qū)的直線尺寸光學(xué)比較儀（輪廓投影儀）D=L+(S-F)給定點處穿過晶圓的垂直距離，中心點的厚度稱為標(biāo)稱厚度靜電電容法干涉法第六章表征與測量6.1來料檢測幾何尺寸——平坦度幾何尺寸——粗糙度晶圓表面平整、均勻、無表面不規(guī)則的程度；屬于宏觀幾何形狀誤差；總厚度偏差TTV、彎曲度bow、翹曲度Warp、總指示讀數(shù)TIR等靜電電容法和紅外線干涉法；晶圓表面平整、均勻、無表面不規(guī)則的程度；屬于微觀幾何形狀誤差；表面平均粗糙度Ra、均方根粗糙度Rq、最大高度粗糙度Rmax等測量方法與平坦度基本相同；第六章表征與測量6.1來料檢測其他——導(dǎo)電類型熱電動勢法（冷熱探針）利用溫度梯度產(chǎn)生的熱電動勢來判斷導(dǎo)電類型整流法利用金屬探針與半導(dǎo)體材料表面容易構(gòu)成整流接觸的特點，可根據(jù)檢流計的偏轉(zhuǎn)方向或示波器的波形判斷導(dǎo)電類型。對于n型襯底：第六章表征與測量6.1來料檢測其他——少子壽命微波光電導(dǎo)衰減法μ-PCD測量有效壽命，但不適合壽命分布不均勻的樣品準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)光電導(dǎo)法QSSPC利用金屬探針與半導(dǎo)體材料表面容易構(gòu)成整流接觸即微波信號的變化量與電導(dǎo)率的變化量成正比第六章表征與測量6.1來料檢測其他——碳氧含量間隙氧OI氧原子融入晶格內(nèi)形成間隙雜質(zhì)，在一定溫度下傾向于從硅中以SiOx的形式沉淀出來，可以吸收雜質(zhì)或形成缺陷，改變電阻率和反向擊穿電壓。替位碳CS碳原子通常占據(jù)硅原子的位置,可能形成SiOx積累的中心，會影響OI的行為方式，增大漏電流。傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜FTIR第六章表征與測量6.2工藝監(jiān)測質(zhì)量工程工藝能力指數(shù)Cpk找到最佳性能的工藝，并將干擾因子的影響減到最??；來料檢查：事前預(yù)防控制工藝監(jiān)測：事中過程控制出貨檢查：事后驗證，將量測結(jié)果與規(guī)范進(jìn)行比較工藝能力指數(shù)下限工藝能力指數(shù)=(平均—下限值)/(3σ)上限工藝能力指數(shù)=(上限值—平均值)/(3σ)多采用統(tǒng)計過程控制（SPC）1）測量過程；2）消除過程中的差異，使其保持一致；3）監(jiān)控過程；4）改進(jìn)工藝。循環(huán)并持續(xù)改進(jìn)實際工藝中要求不大于1.33，即±1.5σ或99.379%第六章表征與測量6.2工藝監(jiān)測薄膜量測分類光學(xué)檢測：基于光的波動性和相干性電子束檢測：高精度X射線量測：表征薄膜檢測（Inspection）在晶圓表面上或電路結(jié)構(gòu)中，檢測其是否出現(xiàn)異質(zhì)情況，如顆粒污染、表面劃傷、開短路等對芯片工藝性能具有不良影響的特征性結(jié)構(gòu)缺陷。量測（Metrology）對被觀測的晶圓電路上的結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性做出的定量描述。復(fù)檢（Review）工業(yè)中多采用光學(xué)檢測和電子束檢測互補的形式第六章表征與測量6.2工藝監(jiān)測量測——膜厚THK透明薄膜：光學(xué)方法不透明薄膜：通過方塊電阻與橫截面積計算（如金屬）橢偏光譜儀SE在橢偏儀的基礎(chǔ)上加入光柵單色儀組件，產(chǎn)生波長連續(xù)變化的入射光，突破單波長量測的限制，向多波長的光譜量測拓展。適用于表征單層薄膜、復(fù)雜多層膜及超薄膜等結(jié)構(gòu)。白光干涉光譜WLRS利用光學(xué)干涉原理量測膜厚并獲得表面輪廓，通常使用寬帶光源（UV、VIS或NIR），不同基底厚度對應(yīng)不同范圍的光譜。適用于表面粗糙度、臺階高度、微觀結(jié)構(gòu)分析等方面的測量。第六章表征與測量6.2工藝監(jiān)測量測——關(guān)鍵尺寸CD半導(dǎo)體芯片中的最小線寬一般稱為關(guān)鍵尺寸光學(xué)關(guān)鍵尺寸OCD將偏振光投射到被測對象表面，受到表面形貌的影響而反射，通過收集被測試對象的關(guān)鍵寬度及其他形貌（如單/多層膜高度、側(cè)壁角等）尺寸的散射信息來實現(xiàn)精確量測。（類似于SE）速度快、成本低、穩(wěn)定性和重復(fù)性，無接觸對樣本無損的優(yōu)點關(guān)鍵尺寸掃描電子顯微鏡CD-SEM用電子槍射出電子束聚焦后轟擊樣品表面，并做光柵狀掃描，通過探測電子作用于樣品所產(chǎn)生的信號來觀察并分析樣品表面的組成、形態(tài)和結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體工業(yè)中，多以O(shè)CD和CD-SEM相結(jié)合第六章表征與測量6.2工藝監(jiān)測量測——套刻精度OVL半導(dǎo)體制造中晶圓當(dāng)前層圖形相對于參考層圖形沿x和y方向的偏差（通常是CD的1/5~1/3）基于成像IBO利用具有圖像識別和量測功能的高分辨率明場光學(xué)顯微鏡，多采用CD-SEM；需要多次測試，測試速度慢，套刻標(biāo)識尺寸過大；基于衍射DBO套刻標(biāo)識是兩個周期性的結(jié)構(gòu)，一個位于晶圓的參考層中，一個在光刻膠上。如果完全對準(zhǔn)，那么在光照下的衍射條紋就是對稱的；精度較高，設(shè)備引起的測量誤差較小，測量結(jié)果的重復(fù)性很好；第六章表征與測量6.2工藝監(jiān)測量測——其他臺階高度和臺階覆蓋率臺階高度：晶圓表面從一個水平面到另一個水平面的垂直距離臺階覆蓋率：臺階處的膜層厚度與平坦區(qū)域的膜層厚度的比值測量光學(xué)或電容探針位移變化，評估薄膜的均勻性晶圓形貌接觸式和非接觸式（如基于模型的紅外反射光譜MBIR），可提取溝槽參數(shù)、膜厚及材料組成等信息雜質(zhì)含量XPS，是有機(jī)物、聚合物和氧化物的表面分析工具M(jìn)BIR第六章表征與測量6.2工藝監(jiān)測檢測——無圖形檢測裸晶圓從晶圓制造商處獲得認(rèn)證，在開始生產(chǎn)之前半導(dǎo)體晶圓廠收到后再次認(rèn)證的檢測過程，防止缺陷逃逸。光散射利用散射原理,通過算法提取和比較多通道的表面缺陷信號，可實時識別晶圓表面缺陷、判別缺陷的種類。光致發(fā)光PL利用光激發(fā)發(fā)光體所引起的發(fā)光現(xiàn)象，發(fā)光的頻率、相位、振幅、方向、偏振態(tài)等攜帶了材料的大量基本信息。第六章表征與測量6.2工藝監(jiān)測檢測——有圖形檢測將測試芯片的空間像與相鄰芯片的空間像進(jìn)行比較，以獲得僅有非零隨機(jī)缺陷特征信號的空間差分圖像，在缺陷的位置會生成缺陷圖（類似于晶圓映射）明場檢測定向照明光路，即照明光角度與采集光角度完全或部分相同，最終的成像是通過反射光形成的追求更亮的光學(xué)照明、更大的數(shù)值孔徑、更大的成像視野等暗場檢測照明光角度與采集光角度完全不同，最終的成像是通過圖形表面的結(jié)構(gòu)散射得到的。追求更高的成像分辨率、檢測掃描速度及更高效的噪聲控制第六章表征與測量6.2工藝監(jiān)測檢測——掩膜版檢測在線檢測是指每次曝光之前和之后對掩模版表面進(jìn)行檢測離線檢測指定期地把掩模從系統(tǒng)中調(diào)出來做缺陷檢測。振幅型缺陷表層缺陷，多采用電子束或AFM和TEM結(jié)合的方式，速度過低，僅能量測表面形貌，很難滿足補償?shù)囊笙辔恍腿毕菸挥谘谀０娑鄬幽さ撞浚也荒苄迯?fù)，需使用工作波長檢測，直接評估掩模的實際工作情況物理補償主要采用電子束/離子束蝕刻和沉積，從而修復(fù)吸收層，使圖形接近理想形貌；軟件補償通過吸收層的修正或偏移，主要是將真實空間和理想空間的像差作為評估函數(shù)，通過多次仿真優(yōu)化實現(xiàn)補償（難度很大）第六章表征與測量6.2工藝監(jiān)測復(fù)檢目的：更詳細(xì)地觀察、分類和分析檢測到的缺陷與顆粒的形狀及成分，以及所在位置的背景環(huán)境，為識別哪道工序、哪臺設(shè)備、哪種材料引起的缺陷提供有效信息，從而分析和判斷缺陷產(chǎn)生的原因和對應(yīng)的工藝步驟，并進(jìn)行針對性的缺陷改善。流程：首先使用OM或SEM復(fù)檢，通過與相鄰管芯的電路圖案進(jìn)行比較，或者通過圖像和芯片設(shè)計圖形的直接比對，確認(rèn)檢測步驟并排查缺陷是否存在（類型、位置、發(fā)生的工序），然后將自動缺陷檢測系統(tǒng)生成的文件（包含半導(dǎo)體晶圓的格標(biāo)識、槽標(biāo)識，相應(yīng)的缺陷信號二進(jìn)制信息）重新加載SEM，通過缺陷類別的位置信息來確定缺陷位置，并拍照和存儲缺陷的放大圖像，最后系統(tǒng)按照預(yù)定規(guī)則對缺陷分類，將相關(guān)信息發(fā)送到質(zhì)量控制部門，以便在故障和缺陷分析中使用。通常使用差分圖像方法，將多個缺陷圖像與同一參考圖像進(jìn)行比較，提高復(fù)檢速度第六章表征與測量6.3晶圓可接受測試可接受測試為了確定是否滿足規(guī)范或合同的要求而進(jìn)行的測試，可能涉及化學(xué)測試、物理測試或性能測試。分類晶圓可接受測試WAT：通常只測試直流參數(shù)；批次可接受測試LAT：批量驗收；封裝后篩選：產(chǎn)品交付客戶前的最后一道關(guān)鍵的檢驗工序；晶圓可接受測試WAT研發(fā)階段，用來驗證設(shè)計的可行性，以及預(yù)期性能、可靠性和穩(wěn)定性等，從而獲得器件或電路的基本特征；試生產(chǎn)階段，驗證器件成品率、特性一致性等量產(chǎn)能力，同時是工藝調(diào)整的依據(jù)；量產(chǎn)階段，反映產(chǎn)線工藝的波動，最大化生產(chǎn)能力和降低成本。MIL-PRF-38534LK級，是規(guī)范中的最高可靠性等級。它適用于航空應(yīng)用。H級，是標(biāo)準(zhǔn)的軍工等級。G級，是H級的低配版本，溫度范圍-40℃至+85℃。D級，商用質(zhì)量等級，溫度范圍0℃至+70℃。E類，L、K、H、G或F類以外的情況。L級，是非密封器件的最高質(zhì)量等級。F級，是非密封器件的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量等級。第六章表征與測量6.3晶圓可接受測試修調(diào)測試結(jié)構(gòu)第六章表征與測量6.3晶圓可接受測試工藝部分設(shè)計規(guī)則器件之間的隔離對電路的性能影響很大，其測試主要查看漏電情況對于短路或橋接：驗證制程中同層版圖之間器件的隔離能力多采用交叉梳狀非串聯(lián)的兩端結(jié)構(gòu)，加上襯底構(gòu)成三端器件，測試儀器對其加載1.1倍的芯片直流工作電壓，測試所需的電流來判斷對于開路，主要用于驗證金屬層、多晶硅層對關(guān)鍵尺寸控制能力采用梳狀串聯(lián)的兩端結(jié)構(gòu)，在有效隔離寬度外放置條狀圖形，測試所得電學(xué)參數(shù)與短路的測試結(jié)果共同分析，判定所在層是否正常。對于絕緣，主要用于驗證制程中不同層版圖之間器件的隔離能力與開路類似，但需要通過調(diào)整電極所在版圖層，以便測試多晶硅層間、金屬層間、有源區(qū)間及多晶硅層－金屬層等情況。第六章表征與測量6.3晶圓可接受測試工藝部分電阻對于多晶硅有源區(qū)電阻，可采用啞鈴狀（受到PAD間距限制）或蛇狀設(shè)計版圖對于接觸電阻，采用鏈條結(jié)構(gòu),是通過增加接觸孔的數(shù)目，測試得到的整體電阻平均化后得到更準(zhǔn)確的阻值。其他柵氧完整性GOI：當(dāng)柵氧不均勻或界面有缺陷時，會失去氧隔離能力，產(chǎn)生漏電流，包括GOI電容Cox、GOI柵氧厚度Tox、GOI擊穿電壓BVoxCD測量：由測量兩條同長度，不同寬度的電阻，換算出其寬度CD大?。é（即CD的損失）和Rs）額外規(guī)則：以漏電流來檢測接觸覆蓋性，版圖通常為十字架結(jié)構(gòu)，可以有效發(fā)現(xiàn)誤觸發(fā)等問題。當(dāng)W=W1時，Rs為薄層電阻，可測得電阻R1R1=Rs×L/(W1-ΔW)當(dāng)W=W2時，可測得電阻R2R2=Rs×L/(W2-ΔW)所以

R1/R2=(W2-ΔW)/(W1-ΔW)第六章表征與測量6.3晶圓可接受測試器件部分MOS器件擊穿電壓BVd：評估MOS器件耐壓能力；關(guān)斷電流Ioff：反映器件關(guān)斷狀態(tài)下漏電流大小；飽和電流Ids：評估器件在飽和區(qū)工作時漏電流大小；襯底電流Isub：反映器件中襯底與源漏之間的電流情況；閾值電壓Vth：表征MOS器件開啟電壓；雙極型晶體管放大倍數(shù)hfe：評估晶體管放大能力反向擊穿電壓Vb：評估晶體管耐壓能力二極管結(jié)電容Cj：反應(yīng)結(jié)區(qū)電荷存儲能力結(jié)漏電流Ileak：評估漏電流大小反向擊穿電壓Vb：評估耐壓能力第六章表征與測量6.3晶圓可接受測試探針測試基于點接觸探針測試：主要用于評估器件的電學(xué)參數(shù)；掃描探針測試：主要用于分析表面形貌、載流子分布及表面功函數(shù)等特性原子力顯微鏡AFM在芯片截面成像應(yīng)用中有明顯優(yōu)勢開爾文探針測量半導(dǎo)體材料的表面功函數(shù)與單色光結(jié)合構(gòu)成表面光電壓譜SPV，可以表征表界面缺陷狀態(tài)與AFM結(jié)合，構(gòu)成了開爾文探針力顯微鏡KPFM，獲得關(guān)于半導(dǎo)體摻雜、能帶彎曲、電介質(zhì)中的電荷捕獲和腐蝕等信息與飛秒激光器和高性能示波器結(jié)合，構(gòu)成瞬態(tài)Kelvin探針，可獲得電荷傳輸?shù)刃畔⒔佑|(AC)模式非接觸(DC)模式KPFM第六章表征與測量6.3晶圓可接受測試探針測試擴(kuò)散電阻分布SPR用于研究半導(dǎo)體材料中的擴(kuò)散電阻、電阻率及載流子濃度與深度關(guān)系的方法加入5mV左右的電壓就可以克服探針-硅電阻（接近歐姆接觸），同時保持探針尖端電阻和其他連接電阻最小化，從而精確地測量擴(kuò)散電阻。擴(kuò)散電阻顯微鏡SSRM測量的是探針尖端和橫截面之間的接觸，以避免與傾斜相關(guān)的載流子溢出效應(yīng)，配合寬范圍放大器可實現(xiàn)對亞納米尺度半導(dǎo)體器件的分析。Thurber曲線第六章表征與測量6.4測試測試可信性衡量測試設(shè)備提供正確測試結(jié)果的一致性；影響因素：接觸不良、設(shè)置不當(dāng)、濕氣、設(shè)備的可重復(fù)性；可信性超過95%，無需重測；低于85%，則認(rèn)為可無效。測試產(chǎn)量通過電氣測試的芯片數(shù)量與總芯片數(shù)量的比值；評估工藝能力和預(yù)測產(chǎn)品的性能；泊松模型、墨菲模型、Seed模型、指數(shù)模型。測試保護(hù)帶面對生產(chǎn)的測試計劃：要求更為嚴(yán)格；面對質(zhì)量保證的測試計劃：最終測試；之間就是測試保護(hù)帶——引入CPK評估Y=[(1-e(-AD))/(AD)]2.Y=(1-e(-2AD))/(2AD)校準(zhǔn)≠驗證第六章表征與測量6.4測試缺陷與故障缺陷主要是因制造條件的不正常和工藝設(shè)計有誤等造成的物理結(jié)構(gòu)的改變，如工藝、材料、壽命和封裝等缺陷。缺陷是物理級失效的一種，映射到邏輯級就可以建模為故障（非正常狀態(tài)），映射到行為級就是錯誤。故障模型：將故障特征進(jìn)行抽象和分類，將具有相同效果的故障歸為同一種故障類型和描述方式邏輯級：固定故障、靜態(tài)電流故障、時延故障等。電路級：固定故障、橋接故障和時延故障等。第六章表征與測量6.4測試測試向量及生成過程如下：先建立描述電路“好”或“壞”的模型，然后設(shè)計出能檢驗電路“好”或“壞”的測試數(shù)據(jù)，再把設(shè)計好的數(shù)據(jù)加在被檢驗的電路上；觀察被檢驗電路的輸出結(jié)果；最后分析與理想的結(jié)果是否一致。向量生成建?！收蠝p少——故障仿真——可測試性度量——測試壓縮——測試向量生成測試設(shè)備ATE：由機(jī)臺、負(fù)載板/探針卡、分選機(jī)和測試程序等部分組成。負(fù)載板（FT）/探針卡（CP）附件工具：接觸器、加熱板等被測器件（DUT）第六章表征與測量6.4測試芯片探針CP目的是在封裝前識別和剔除存在缺陷的芯片，從而確保封裝質(zhì)量的可靠性，有助于進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝并降低封裝成本。通過探針接觸PAD再與ATE連接，對先進(jìn)封裝的產(chǎn)品尤為重要流程：基于DFT編寫測試計劃，根據(jù)芯片類型、測試內(nèi)容、測試要求、成本選擇ATE，并制作探針卡并編寫程序，在測試過程中組調(diào)試程序和設(shè)備，達(dá)到量產(chǎn)測試。優(yōu)化：將失效率較高的項目前移，較低的后移甚至刪除第六章表征與測量6.4測試終測FT驗證封裝后的器件或電路在實際應(yīng)用中的性能，并與可靠性測試相結(jié)合，以全面評估芯片的功能完整性和封裝質(zhì)量通常將CP和FT視為整體，綜合設(shè)計測試方案長時間占用ATE，又稱ATE測試流程：基于DFT和CP數(shù)據(jù)編寫測試計劃、選擇ATE、制作負(fù)載卡和編寫測試程序、調(diào)試設(shè)備和程序、量產(chǎn)測試，根據(jù)測試結(jié)果對芯片進(jìn)行分類，針對特定類別的失效芯片進(jìn)行深入分析或重測。第六章表征與測量6.4測試系統(tǒng)級測試SLT提高產(chǎn)品板的生產(chǎn)良率并降低生產(chǎn)成本將測試主機(jī)、測試板、測試插座上的芯片之間建立電氣連接，硬件與FT類似（如Intel）內(nèi)容主要有芯片功能測試、接口測試及內(nèi)存相關(guān)測試等未來最重要的環(huán)節(jié)之一條帶測試（Strip/mapTesting）器件在引線框條帶中，在將其分割成單獨芯片之前進(jìn)行電氣測試適用于小型封裝的處理和測試，因為它解決了接觸難題缺點：需要協(xié)調(diào)封裝和測試兩個獨立環(huán)節(jié)，可能需要經(jīng)歷第二次測試過程第六章表征與測量6.4測試測試方法——ATPGATPG在半導(dǎo)體測試中檢查器件故障或電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)相關(guān)算法自動生成所需的測試向量（集合）的過程主要通過ATPG算法實現(xiàn)，并用故障覆蓋率和執(zhí)行測試的成本來衡量和評價ATPG的好壞D算法：逐級敏化從故障到電路所有輸出的全部可能通路。PODEM算法：對D算法的改進(jìn)，它吸收了窮舉法的優(yōu)點，采用反向跟蹤的方式。FAN算法：在利用拓?fù)湫畔硖岣邷y試效率的基礎(chǔ)上，采取了新的策略加速測試生成的完成流程建立故障模型——選擇故障——故障激活——生成向量——模擬故障——移除故第六章表征與測量6.4測試測試方法——掃描路徑法將時序電路簡化為一個組合電路網(wǎng)絡(luò)和帶觸發(fā)器的時序電路網(wǎng)絡(luò)，提高了電路內(nèi)部節(jié)點的可控性和可觀測性流程①初始化過程，通過端口或內(nèi)部寄存器控制，使芯片進(jìn)入掃描路徑模式。②移位模式，啟動移位操作，將數(shù)據(jù)串行移入掃描鏈（寄存器），并移出測試結(jié)果。③捕獲模式，關(guān)閉移位操作，讓故障電路的輸出被寄存器捕捉；④重復(fù)移位和捕獲的過程，直到將所有故障通過掃描鏈串行輸出并被ATE捕捉比較需要增加額外的電路面積和I/O引腳，測試時間往往較長第六章表征與測量6.4測試測試方法——邊界掃描JTAG是一種遵循IEEE1149.1國際標(biāo)準(zhǔn)的測試協(xié)議，主要用于對芯片內(nèi)部進(jìn)行測試訪問，下載、調(diào)試及邊界掃描等功能。邊界掃描是JTAG中的核心功能，它在I/O引腳間插入移位寄存器BSR，一般在邊界（周圍），當(dāng)信號輸入BSR時，可以觀察到其中的記錄，從而實現(xiàn)對連接芯片的測試。.TCK和TMS通過TAP控制器改變狀態(tài)，可以選擇使用IR或DR，并控制邊界掃描測試的各狀態(tài)。當(dāng)輸入引腳連接TDI端口并輸入信號時，可以實現(xiàn)內(nèi)部節(jié)點的測試。通過IR識別的數(shù)據(jù)被存儲到DR，測試結(jié)果數(shù)據(jù)由TDO輸出。在實際測試中，外部測試設(shè)備接收輸出測試結(jié)果，并將其與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行比較，從而可以定位并發(fā)現(xiàn)故障。需要專用接口和調(diào)試器，這增加了調(diào)試的成本第六章表征與測量6.4測試測試方法——BIST內(nèi)置自測試使用自己的電路測試自己的功能或參數(shù)，從而降低對外部ATE的依賴。流程：測試向量生成器根據(jù)外部輸入信號生成測試向量，對內(nèi)部被測電路進(jìn)行測試，并將結(jié)果輸出到響應(yīng)分析器進(jìn)行對比，以確定是否有故障，信號的輸入、輸出及被測電路的時鐘由BIST控制器控制；邏輯BIST：通過偽隨機(jī)測試圖形生成器生成測試圖形，應(yīng)用于器件內(nèi)部掃描，采用多輸入寄存器獲得輸出信號；存儲器BIST：通常由加載、讀取和比較測試圖形的測試電路組成，采用March、MATS+等算法來檢測器件中的缺陷；提高了芯片設(shè)計的復(fù)雜性，并需要額外的晶圓面積、加工要求和封裝尺寸及引腳等；第六章表征與測量6.4測試測試參數(shù)——直流連接性測試（開路/短路）VOL/IOLIDDGrossIDD第六章表征與測量6.4測試測試參數(shù)——交流上升時間和下降時間。傳輸時延。建立時間。保持時間。最小脈寬。最大工作頻率。第六章表征與測量6.5可靠性可靠性測試可靠性是指產(chǎn)品在特定條件下和規(guī)定時間內(nèi)實現(xiàn)其功能的能力。規(guī)定時間：在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)規(guī)定功能：要求產(chǎn)品符合相關(guān)的電氣、外觀和機(jī)械規(guī)范可靠性測試通過模擬嚴(yán)苛的環(huán)境條件對芯片進(jìn)行沖擊，以評估產(chǎn)品的壽命和潛在的質(zhì)量風(fēng)險。應(yīng)力是指外界對產(chǎn)品造成的破壞力，包括機(jī)械、環(huán)境和電氣等多方面的因素可靠度是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率失效率是產(chǎn)品在單位時間內(nèi)失效的概率平均無失效工作時間MTBF是產(chǎn)品無失效工作時間的平均值早期失效期：失效率高偶發(fā)失效期：失效率較低：有效壽命磨損失效期：失效率高第六章表征與測量6.5可靠性可靠性試驗統(tǒng)計試驗用于驗證產(chǎn)品的可靠性或壽命是否符合規(guī)定要求，如材料設(shè)備鑒定試驗和產(chǎn)品驗收試驗等；工程試驗通過獲得的可靠性數(shù)據(jù)，可以揭示產(chǎn)品在材料、設(shè)計、制造和組裝等方面存在的缺陷，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。包括篩選試驗、可靠性研制試驗和可靠性增長實驗；第六章表征與測量6.5可靠性老化（burn-in）又稱功率老煉，用于檢測半導(dǎo)體器件的早期失效。在正常使用之前進(jìn)行測試，老化能夠暴露各種問題，從而有效地降低失效率，確保元器件的可靠性。篩選實驗的一部分靜態(tài)老化：在非工作模式下僅加載電源電壓動態(tài)老化：提供輸入激勵信號，通過檢測相關(guān)信號判斷樣品的老化狀態(tài)或極端環(huán)境下的工作狀態(tài)。老化中測試：在動態(tài)老化過程中采樣電參數(shù)，并完成全部或部分功能測試。常溫老化：民品高溫老化：時間過長的老化熱循環(huán)老化：航空航天領(lǐng)域精密篩選：航空航天、軍工等高可靠性領(lǐng)域第六章表征與測量6.5可靠性壽命實驗——壽命分布壽命實驗時可靠性鑒定與驗收試驗中的核心環(huán)節(jié)，用于在實驗室環(huán)境下模擬實際工作條件以評估產(chǎn)品的壽命特性。壽命分布與失效機(jī)制、失效模式及所施加的應(yīng)力類型密切相關(guān)威布爾分布對數(shù)正態(tài)分布是半導(dǎo)體工業(yè)中分析壽命或可靠性數(shù)據(jù)的重要工具指數(shù)分布由大量電子元器件構(gòu)成的系統(tǒng)在穩(wěn)定工作狀態(tài)第六章表征與測量6.5可靠性壽命實驗——加速壽命確定產(chǎn)品壽命分布，一是通過試驗，這需大量試驗樣本和時間，二是利用現(xiàn)有模型，可以節(jié)省時間并減少所需樣本，但可能不夠精確，且模型變量的賦值較復(fù)雜。加速壽命試驗貯存壽命：在規(guī)定的環(huán)境條件下進(jìn)行非工作狀態(tài)的存放試驗工作壽命試驗：在規(guī)定的條件下進(jìn)行加負(fù)荷的試驗加速壽命試驗：采用加大應(yīng)力的方法，使樣品在短期內(nèi)失效，以預(yù)測在正常工作或存儲條件下的可靠性加速壽命試驗?zāi)Ｐ秃愣☉?yīng)力試驗：分幾組同時進(jìn)行，每組對應(yīng)不同的負(fù)荷步進(jìn)應(yīng)力試驗：在不同時間段對產(chǎn)品施加不同水平的負(fù)荷序進(jìn)應(yīng)力試驗：加載的應(yīng)力水平隨時間連續(xù)上升第六章表征與測量6.5可靠性壽命實驗——加速壽命試驗加速壽命試驗ALT適用于描述由損耗造成的失效機(jī)理，適用于可靠性評價和失效結(jié)構(gòu)的鑒定，驗證MTBF目標(biāo)，并檢測超出標(biāo)準(zhǔn)的失效情況高加速壽命試驗HALT采用的應(yīng)力多為破壞性，以更短的時間找到產(chǎn)品的各種工作極限與破壞極限。多用于產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計階段。高/低溫度試驗分別在低溫和高溫階段進(jìn)行，直至產(chǎn)品出現(xiàn)異常。返回常溫后恢復(fù)正常為工作極限，無法恢復(fù)正常為破壞極限。溫度循環(huán)TC也稱為熱疲勞失效檢查樣品是否出現(xiàn)可恢復(fù)性故障，并確定其可操作界限第六章表征與測量6.5可靠性壽命實驗——加速壽命試驗通過升高環(huán)境溫度來進(jìn)行加速壽命試驗可以加速產(chǎn)品失效的過程。高/低溫工作壽命HTOL/LTOL采用高/低溫和電壓加速，預(yù)測半導(dǎo)體器件在未來長時間內(nèi)的正常工作壽命，即生命周期的預(yù)估在150℃測試條件下通過1000h的HTOL測試，相當(dāng)于使用8年，屬于抽樣測試高/低溫貯存壽命HTSL/LTSL評估器件在無電應(yīng)力施加的高/低溫環(huán)境下長期存儲的可靠性在HTSL測試過程中不會對樣品施加電應(yīng)力，因此不能替代老化；通常達(dá)到1000h，以充分評估高溫和時間對器件可靠性的影響第六章表征與測量6.5可靠性環(huán)境實驗——力學(xué)環(huán)境試驗?zāi)M產(chǎn)品在實際運輸和使用過程中可能遇到的力學(xué)條件，來檢驗產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)的完整性和耐沖擊能力。機(jī)械沖擊試驗利用重力加速度進(jìn)行多次沖擊，以暴露可能存在的結(jié)構(gòu)缺陷、封裝異物、芯片粘片、芯片裂紋、引線鍵合和外引線缺陷等。跌落試驗也是沖擊的一種恒定加速度試驗確定產(chǎn)品經(jīng)受恒加速度環(huán)境所產(chǎn)生的力（重力除外），可以揭示機(jī)械沖擊不一定能檢測出的結(jié)構(gòu)和機(jī)械缺陷，如間歇短路/開路等；通過離心機(jī)等速旋轉(zhuǎn)獲得不同的恒加速度數(shù)值第六章表征與測量6.5可靠性環(huán)境實驗——氣候環(huán)境試驗?zāi)M產(chǎn)品在各種氣候條件下的適應(yīng)性鹽霧試驗評估產(chǎn)品耐鹽霧腐蝕性能國軍標(biāo)中“三防”試驗之一評級法作為結(jié)果判斷方法，即通過計算腐蝕面積與總面積的百分比，并觀察金屬表面是否生銹、生銹類型、腐蝕程度及是否有氣泡/開裂等情況，同時檢查電氣功能是否受到影響，太陽輻射試驗評估產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性和性能等紅外光譜：可導(dǎo)致產(chǎn)品短時高溫和局部過熱，引發(fā)結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械破壞及絕緣體材料的過熱損壞等問題。紫外光譜：產(chǎn)生光化學(xué)效應(yīng)，與溫度、濕度等因素共同作用時，機(jī)械性能和電氣性能也會隨之降低。關(guān)注熱效應(yīng)第六章表征與測量6.5可靠性環(huán)境實驗——綜合環(huán)境試驗將環(huán)境、力學(xué)環(huán)境試驗與電測試緊密結(jié)合的一種評估方法預(yù)處理PC模擬器件在應(yīng)用到電子產(chǎn)品前可能經(jīng)歷的外部環(huán)境流程：初始電性能測試、目檢、溫度循環(huán)、烘烤、潮濕浸泡、回流、助焊劑浸漬、清洗、烘干、目檢及最終電性能檢測。高壓釜試驗AC評估產(chǎn)品承受極端溫度和濕度條件能力在嚴(yán)苛的溫濕度及壓力環(huán)境下測試，幾小時到1000小時溫度、濕度、偏置THB旨在加速金屬腐蝕85℃/85%RH/1000h，并在規(guī)定的時間點施加偏壓進(jìn)行測試第六章表征與測量6.5可靠性環(huán)境實驗——高加速應(yīng)力篩選HASS在生產(chǎn)階段進(jìn)行的一種篩選方法，確保工藝材料的變更不會引入新的缺陷，并要求所有產(chǎn)品參與；采用的應(yīng)力值通常高于實際環(huán)境應(yīng)力，但不超過設(shè)計極限，以避免性能下降或壽命縮短；制定HASS條件篩選驗證量產(chǎn)HASSHALT（高加速壽命試驗）、HASS（高加速應(yīng)力篩選）和HASA（高加速應(yīng)力抽檢篩選）作為驗證設(shè)計與制造質(zhì)量的試驗方法，已成為工業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)。第六章表征與測量6.5可靠性電應(yīng)力類試驗——ESD過度電應(yīng)力EOS是指由于過大的電壓、電流或功率而對電路造成的破壞；靜電放電ESD是正負(fù)電荷失衡時產(chǎn)生的一種現(xiàn)象，具有積聚時間長、低電量、大電流和作用時間短等特點，瞬間電壓可達(dá)幾千伏，遠(yuǎn)大于大多數(shù)器件和電路的極限，產(chǎn)生EOS破壞，是最高頻的失效原因之一；人體放電模式HBM器件充電模式CDM機(jī)器放電MM第六章表征與測量6.5可靠性電應(yīng)力類試驗——閂鎖評估芯片在出現(xiàn)閂鎖效應(yīng)時的過流能力。發(fā)生在電源與地之間，由于寄生PNP和NPN相互作用形成低阻抗通路，進(jìn)而引發(fā)大電流并可能燒毀器件。對VCC引腳做電壓測試，即施加1.5VCC或最大偏壓，并測試其他引腳以確認(rèn)電壓是否符合要求。電應(yīng)力類試驗——浪涌來自于電源的過載電流或電容、電感的充放電短脈寬浪涌：產(chǎn)生的熱量來不及被散熱器吸收，可以估算芯片內(nèi)部溫度上升的情況長脈寬浪涌：等效于直流，主要受到熱斑效應(yīng)的影響器件內(nèi)的體二極管所能承受的最大電流就是浪涌電流第六章表征與測量6.6失效分析FA流程失效分析FA探究半導(dǎo)體器件/芯片失效的原因和機(jī)制分類：功能失效&參數(shù)失效從驗證樣品的失效現(xiàn)象開始，進(jìn)而分析失效模式，當(dāng)測試結(jié)果共同指向同一失效部位，獲得失效原因或機(jī)制的信息。流程受到多種因素的影響，包括器件類型、失效現(xiàn)象、失效前承受的應(yīng)力、失效位置、失效率、失效模式、失效特性和失效機(jī)制等，不存在真正意義上的“標(biāo)準(zhǔn)”流程，需要根據(jù)實際情況靈活應(yīng)對。簡單流程：收集失效信息——驗證失效類型——外部目檢——小型試驗——曲線跟蹤——X射線檢查——超聲掃描顯微鏡檢查——開封——內(nèi)部目檢——熱點檢測——光發(fā)射顯微鏡。微探針檢查——芯片逆處理第六章表征與測量6.6失效分析失效機(jī)制失效模式描述器件如何發(fā)生失效，包括偏離標(biāo)準(zhǔn)的程度，如過大的失調(diào)電壓或偏置電流。失效機(jī)制是器件失效的物理現(xiàn)象，如金屬腐蝕、ESD/EOS過大等。根本原因是指引發(fā)器件失效的最初始、最關(guān)鍵的條件或因素，例如，器件接地不當(dāng)導(dǎo)致ESD損壞等。分類：與晶體缺陷相關(guān)、與芯片相關(guān)、與封裝相關(guān)失效驗證驗證樣品失效的過程，過程標(biāo)準(zhǔn)與生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)一致小型測試:配備電源、萬用表、頻率計、示波器、曲線跟蹤器等，還需要搭建電路來模擬實際應(yīng)用。曲線跟蹤：IV第六章表征與測量6.6失效分析開封（去殼）剝離芯片的上層，暴露下面的缺陷部位對于塑封，進(jìn)行開封，逐層剝離，方法包括手動化學(xué)蝕刻、噴射蝕刻、熱機(jī)械開封和等離子蝕刻等。對于氣密性封裝，進(jìn)行去殼，方法包括切割】擰開等。蝕刻層實例氮化物鈍化90%CF4/10%O2等離子刻蝕二氧化硅25°C，Silox刻蝕鋁金屬線60°C，磷酸/乙酸/硝酸刻蝕Ti-W阻擋層60°C，雙氧水刻蝕SiCr電阻90%CF4/10%O2等離子刻蝕多晶硅層25°C，濕法刻蝕微切片用機(jī)械方法暴露芯片或封裝內(nèi)目標(biāo)平面通過重復(fù)鋸切、研磨、拋光和染色等步驟第六章表征與測量6.6失效分析非破壞性分析——X射線照相原理：材料阻擋X射線的能力與其密度成正比應(yīng)用：精細(xì)檢查封裝細(xì)節(jié)和缺陷，如引線偏移/鍵合、焊接錯位、芯片連接空隙、封裝空隙/裂紋及封裝組件的定位等。第六章表征與測量6.6失效分析非破壞性分析——氣密性測試細(xì)檢漏用于檢查封裝損壞或?qū)е滦⌒孤┑娜毕莺な聚櫄怏w法：靈敏度高粗檢漏用于檢查因較大的損壞或缺陷造成的漏氣。氟碳檢漏：使用高沸點氟油和低沸點氟油由于測試方法不同，兩者不能互相取代，也不能單獨進(jìn)行，一般是先粗檢漏再細(xì)檢漏。染料滲透試驗第六章表征與測量6.6失效分析非破壞性分析——掃描聲學(xué)顯微鏡SAM非破壞性分析——XRD可以獲得晶體結(jié)構(gòu)、晶向、晶體尺寸、缺陷等信息具有設(shè)備簡單、無須制樣和無損傷等特點，是研究半導(dǎo)體材料與器件的重要工具。又稱超聲波無損檢測特別適用于檢查不透明材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？梢詸z測的失效機(jī)制包括內(nèi)部裂紋、芯片連接空隙、塑封到芯片分層、塑封到芯片連接分層、塑封到引線框分層等第六章表征與測量6.6失效分析破壞性分析——缺陷檢測熱點檢測低溫下，液晶呈現(xiàn)固態(tài)，各向同性相較高溫下，液晶呈透明液體，向列相可以用于檢測介電短路或擊穿、金屬化短路、結(jié)漏電、移動離子污染等。電子束感應(yīng)電流EBIC檢測寄生pn結(jié)、摻雜及導(dǎo)致集電極漏電流的c-e通道等,耗盡層寬度和少子壽命，確定ESD/EOS故障點。原理：電子束穿透半導(dǎo)體時會在無電場條件下沖擊電子和空穴，使其產(chǎn)生移動并重新復(fù)合；如果半導(dǎo)體器件內(nèi)存在電場，載流子移動受到影響，被分離并被掃到不同的區(qū)域,它們的變化可顯示為圖像。第六章表征與測量6.6失效分析破壞性分析——缺陷檢測光束感應(yīng)電流OBIC主要用于定位和識別半導(dǎo)體樣品上的各種缺陷或異常，還可以確認(rèn)BJT的工作狀態(tài)。使用超快激光束掃描樣品表面，并依賴單光子吸收傳遞能量，能夠克服半導(dǎo)體帶隙，為電子提供足夠的能量，使其躍遷至導(dǎo)帶，從而