不可或缺的射頻測(cè)試

　　問(wèn)題之一是對(duì)于超薄介質(zhì)，由于存在大的漏電和非線性，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)I-V和C-V測(cè)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(shù)。隨著業(yè)界邁向65nm及以下的節(jié)點(diǎn)，對(duì)于高性能/低成本數(shù)字電路，RF電路，以及模擬/數(shù)模混合電路中的器件，這方面的挑戰(zhàn)也在增加。

　　減少使用RF技術(shù)的建議是在以下特定的假設(shè)下提出來(lái)： 假設(shè)RF技術(shù)不能有效地應(yīng)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(xiàn)在新的參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確、可重復(fù)地提取RF參數(shù)，幾乎和DC測(cè)試一樣容易。最重要的是，通過(guò)自動(dòng)校準(zhǔn)、去除處理（de-embedding）以及根據(jù)待測(cè)器件（DUT）特性進(jìn)行參數(shù)提取，探針接觸特性的自動(dòng)調(diào)整，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)RF的完整測(cè)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(cè)試結(jié)果。在生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)中間測(cè)試結(jié)果或者操作需要，自動(dòng)探針臺(tái)和測(cè)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(nèi)，已經(jīng)有7家半導(dǎo)體公司驗(yàn)證了這種用于晶圓RF生產(chǎn)測(cè)試的系統(tǒng)。

　　RF測(cè)試的應(yīng)用

　　無(wú)論你是利用III-V簇晶圓生產(chǎn)用于手機(jī)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(yù)測(cè)最終產(chǎn)品的性能和可靠性，都需要晶圓級(jí)RF散射參數(shù)（s）的測(cè)量。這些測(cè)試對(duì)DC數(shù)據(jù)是重要的補(bǔ)充，相對(duì)于單純的DC測(cè)試，它用更少的測(cè)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(shù)掃描能同時(shí)提取阻抗和電容參數(shù)，而采用常規(guī)DC方法，則需要分開(kāi)測(cè)試，甚至需要單獨(dú)的結(jié)構(gòu)以分離工藝控制需要的信息。

　　功放RF芯片的功能測(cè)試是這種性能的另外一種應(yīng)用。這些器件非常復(fù)雜，然而價(jià)格波動(dòng)大。生產(chǎn)中高頻低壓的測(cè)試條件排除了通常阻礙晶圓級(jí)測(cè)試的功耗問(wèn)題。也不存在次品器件昂貴的封裝費(fèi)用。已知良品芯片技術(shù)也可以應(yīng)用于晶圓級(jí)測(cè)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(jí)RF測(cè)試來(lái)提取各種高性能模擬和無(wú)線電路的品質(zhì)因數(shù)。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(cè)試技術(shù)能夠降低總體的測(cè)試成本。

　　130nm節(jié)點(diǎn)以下的高性能邏輯器件中，表征薄SiO2和高介電常數(shù)（high-k）柵介質(zhì)的等效氧化層厚度（EOT）非常關(guān)鍵。RF測(cè)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(yīng)在傳統(tǒng)的二元模型中將阻礙C-V數(shù)據(jù)的正確表示。中高頻 (MFCV, HFCV) 電容測(cè)量技術(shù)不可能因?yàn)閮x器而對(duì)測(cè)試引入串聯(lián)阻抗。

　　標(biāo)準(zhǔn)I-V/C-V測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)

　　產(chǎn)品研發(fā)階段的設(shè)計(jì)工程師采用的仿真模型，包括從s參數(shù)數(shù)據(jù)提取的RF參數(shù)和I-V/C-V數(shù)據(jù)。先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具要求的是統(tǒng)計(jì)模型，不是單個(gè)的一套參數(shù)。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(shù)基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果，而RF不是的話，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(shù)，則具有很高的價(jià)值。I-V和C-V測(cè)試中面臨的挑戰(zhàn)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)線器件特性的只要表征參數(shù)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(cè)量并提取出來(lái)的RF參數(shù)。對(duì)于數(shù)字和存儲(chǔ)器產(chǎn)品，只要器件的模型保持簡(jiǎn)化，那么I-V和C-V對(duì)于有源和無(wú)源器件來(lái)說(shuō)都是很有價(jià)值的測(cè)量項(xiàng)目。前面提到的，柵介質(zhì)的測(cè)量具有復(fù)雜的C-V模型。

　　采用RF/RF C-V的顧慮

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

　　人們還認(rèn)識(shí)到生產(chǎn)能力和運(yùn)營(yíng)成本將是不可接受的，而且還需要高水準(zhǔn)的技術(shù)支持來(lái)解釋測(cè)量結(jié)果。沒(méi)有可靠的校準(zhǔn)、以及接觸電阻問(wèn)題所帶來(lái)的重復(fù)測(cè)試，造成了早期的RF系統(tǒng)的低生產(chǎn)能力。過(guò)去舊系統(tǒng)的校準(zhǔn)并不是對(duì)不同的測(cè)量頻率配置都有效。高的運(yùn)營(yíng)成本還與手動(dòng)測(cè)試黃金標(biāo)準(zhǔn)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(cuò)誤的理解，認(rèn)為晶圓級(jí)的s參數(shù)測(cè)試需要專(zhuān)門(mén)的探針和卡盤(pán)。

　　生產(chǎn)中關(guān)于RF測(cè)試需要額外關(guān)注的方面：

● 需要改變大量的測(cè)試結(jié)構(gòu)。

● 結(jié)果不穩(wěn)定，隨設(shè)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(hù)每一臺(tái)設(shè)備。

● 對(duì)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(yàn)室級(jí)別的結(jié)果不可靠。

　　fab在這些認(rèn)知的基礎(chǔ)上仍然維持現(xiàn)狀，像"瞎蒼蠅"一樣進(jìn)行著RF芯片、新柵極材料和其他先進(jìn)器件的設(shè)計(jì)和工藝開(kāi)發(fā)。結(jié)果是設(shè)計(jì)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)還伴隨著更低的初始良率。

　　使晶圓級(jí)RF測(cè)試成為生產(chǎn)工藝控制工具的關(guān)鍵在于測(cè)試的完全自動(dòng)化。這意味著機(jī)器人要把晶圓、校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)、探針卡傳送到需要這些東西的地方。換句話說(shuō)，設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)一個(gè)主要的目標(biāo)是沒(méi)有人為干預(yù)的情況下數(shù)據(jù)的完整性。

　　現(xiàn)在的第三代測(cè)試機(jī)臺(tái)具有達(dá)到40GHz的這種測(cè)試能力。不像實(shí)驗(yàn)室的儀器，這些專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于量產(chǎn)環(huán)境的測(cè)試機(jī)臺(tái)，根據(jù)不同的應(yīng)用，支持從6到65GHz的升級(jí)。要求第三代測(cè)試機(jī)臺(tái)能夠自動(dòng)進(jìn)行寄生去除處理，并根據(jù)DUT特性進(jìn)行選擇測(cè)試，這是獲得可信的Cox, Fmax和Q值所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。這些算法，再加上改進(jìn)的互連技術(shù)，以及自動(dòng)的校準(zhǔn)過(guò)程，使得從s參數(shù)測(cè)試迅速準(zhǔn)確地提取RF參數(shù)成為可能。

　　精確的寄生去除處理包括糾正隨機(jī)的測(cè)量假象。比如，在一個(gè)特征阻抗為50Ω的系統(tǒng)中，接觸電阻的任何變化都會(huì)限制測(cè)量的可重復(fù)性。設(shè)備制造商必須確定RF測(cè)試中所有不穩(wěn)定的起源，從而在設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)有針對(duì)性地加以消除。系統(tǒng)互聯(lián)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)改進(jìn)了系統(tǒng)中主要部件之間連接的可重復(fù)性。

　　設(shè)備制造商為了保證測(cè)量的可重復(fù)性，還要注意的其他方面如：測(cè)量自動(dòng)化，探針接觸阻抗的修正，探針變形量（overdrive）的調(diào)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(duì)探針進(jìn)行清洗，這些都會(huì)明顯延長(zhǎng)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(yīng)該也是測(cè)試機(jī)臺(tái)統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的一部分。

　　在具有穩(wěn)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(shù)據(jù)的史密斯曲線就不會(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(jié)果了。在舊的系統(tǒng)中，RF測(cè)試專(zhuān)家需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控（跟蹤每個(gè)測(cè)試系列的曲線等），尋找奇怪的、或者意外的測(cè)量結(jié)果，然后分析這些結(jié)果以確認(rèn)它們代表的是工藝的變化，而不是測(cè)量的異常。

　　第三代參數(shù)測(cè)試儀通過(guò)改進(jìn)邏輯方法使得持續(xù)監(jiān)控RF測(cè)量成為現(xiàn)實(shí)，降低甚或消除了對(duì)于RF專(zhuān)家技術(shù)支持的需求。使用這些系統(tǒng)，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(shè)備獲取可重復(fù)的、實(shí)時(shí)的測(cè)量結(jié)果。RF測(cè)試幾乎和DC測(cè)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(tǒng)可以同時(shí)進(jìn)行DC和RF測(cè)試（見(jiàn)"RF測(cè)試的創(chuàng)新設(shè)計(jì)"）。這個(gè)系統(tǒng)包含了許多其他的改進(jìn)，以提高產(chǎn)能，使它在工藝監(jiān)控的量產(chǎn)晶圓級(jí)測(cè)試方面更實(shí)用。這些特點(diǎn)加速了建模實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量工作，同時(shí)又不降低測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)室級(jí)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(tǒng)升級(jí)實(shí)現(xiàn)，而不必購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)用的探針臺(tái)。當(dāng)校準(zhǔn)規(guī)格存儲(chǔ)到探針臺(tái)后，操作流程與單純的DC測(cè)試一樣，只有在周期性的設(shè)備保養(yǎng)時(shí)才會(huì)變化。

附文：RF測(cè)試的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

　　很多年以來(lái),晶圓級(jí)RF參數(shù)測(cè)試是給人的印象是頻率局限于6 GHz的"大鐵盒子"自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE），或者是不能用于生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。對(duì)于統(tǒng)計(jì)過(guò)程表征與控制都是不實(shí)用的。為了解決現(xiàn)有系統(tǒng)的問(wèn)題，Keithley公司在2001年推出DC/RF系列參數(shù)測(cè)試機(jī)臺(tái)。最近，它提出了第三代的RF測(cè)試能力（如圖）。

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

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)受到了幾家客戶成功合作的影響，使得所有公司的DC參數(shù)測(cè)試機(jī)臺(tái)在升級(jí)到第三代RF時(shí)都會(huì)大有收益（如表）。在半導(dǎo)體晶圓工廠中證明，不同技術(shù)人員使用生產(chǎn)設(shè)備的同一系統(tǒng)得到了相同的結(jié)果，在過(guò)去，即使是在實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的系統(tǒng)上或者其他供應(yīng)商的設(shè)備上，這都是不可能的。

　　從一開(kāi)始，設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是使得fab設(shè)備操作人員能夠通過(guò)使用DC/RF參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，得到高質(zhì)量的RF測(cè)試結(jié)果?，F(xiàn)在，沒(méi)有經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)RF培訓(xùn)的操作人員只需要把晶圓放入測(cè)試系統(tǒng)，就能夠得到實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的結(jié)果。但操作人員要知道要測(cè)參數(shù)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(tǒng)包含的是業(yè)界最大的RF參數(shù)提取庫(kù)。

　　在65nm及以下結(jié)點(diǎn)，這是量產(chǎn)中高耗散因數(shù)（high D）、高介電常數(shù)(high K)材料RF C-V測(cè)試的唯一解決方案。Keithley是20GHZ以上唯一通過(guò)量產(chǎn)驗(yàn)證的RF測(cè)試系統(tǒng)供應(yīng)商。雖然這些系統(tǒng)主要是為了實(shí)驗(yàn)室中的參數(shù)測(cè)試而設(shè)計(jì)，但是它在建模實(shí)驗(yàn)室、量產(chǎn)參數(shù)監(jiān)控以及后道功能測(cè)試中都是非常實(shí)用的。一個(gè)使用該測(cè)試機(jī)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室報(bào)道，以前要花費(fèi)13周的時(shí)間來(lái)收集和分析的數(shù)據(jù)，利用這個(gè)系統(tǒng)只需要一個(gè)8小時(shí)的工作日就可以完成。用這種系統(tǒng)驗(yàn)證一個(gè)新的RF工藝模型可能在幾天內(nèi)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(diào)整）控制方式使得RF測(cè)試更出眾，耗材成本更低。這種新系統(tǒng)測(cè)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(cè)量結(jié)果。

　　在別的系統(tǒng)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(yīng)用中，客戶獲得的探針有效壽命高達(dá)300,000次壓觸。 另外，一個(gè)用戶的一套R(shí)F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?biāo)?jié)省下來(lái)的錢(qián)，可以支付由DC系統(tǒng)升級(jí)到RF系統(tǒng)的費(fèi)用。

　　這套系統(tǒng)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(dāng)探針在尋址、針在空氣中時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行s參數(shù)測(cè)量以確定針尖是否變臟了。如果臟了的話，探針會(huì)移動(dòng)到清洗墊進(jìn)行清潔工作。300mm主機(jī)中，這種單次測(cè)試中能夠自動(dòng)觸發(fā)針尖清潔的功能與執(zhí)行單條命令時(shí)的校準(zhǔn)功能一樣，是這些第三代系統(tǒng)所特有的。

　　探針卡更換在RF測(cè)試機(jī)臺(tái)中非常頻繁，因此機(jī)械損傷時(shí)有發(fā)生。在許多其他系統(tǒng)中，機(jī)械互連需要使用轉(zhuǎn)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(cuò)誤校準(zhǔn)。在第三代系統(tǒng)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(jī)械手來(lái)做。此時(shí)測(cè)試頭在里面，因此對(duì)于大部分類(lèi)型的探針臺(tái)來(lái)說(shuō)，校準(zhǔn)不會(huì)受到影響。