武器裝備電子系統(tǒng)和民用便攜式電子產(chǎn)品向小型化、高性能、高可靠性方向的發(fā)展，使得巿場對多芯片組件（MCM)、混合集成電路（HIC）有著強烈和 旺盛的需求，而MCM和HIC都需要大量的裸芯片。目前裸芯片的主要來源是國內(nèi)加工和國外進口，無論是哪種渠道來源，這些裸芯片都只經(jīng)歷了工藝中測試的一 個芯片測試 環(huán)節(jié)，其質(zhì)量和可靠性基本無法保證。優(yōu)質(zhì)芯片（KGD）概念的提出正是為了從根本上解決這個問題。KGD技 術(shù)通過對裸芯片的功能測試、參數(shù)測試、老化篩選和可靠性試驗，使裸芯片在技術(shù)指標(biāo)和可靠性指標(biāo)上達到封裝成品的等級要求，從而解決了MCM和HIC中的裸 芯片質(zhì)量和可靠性問題。
1.從裸芯片到KGD
一般的裸芯片只經(jīng)過常溫下基本的直流（DC）測試，芯片電性能、質(zhì)量、可靠性保證主要來自芯片制造工藝的穩(wěn)定生產(chǎn)和質(zhì)量控制，以及芯片制造商的信譽。由于沒有經(jīng)過芯片電測試 和芯片老化 篩選程序，所以芯片中存在著可能早期失效的樣品，其可靠性無法得到根本的保證。而KGD在注重芯片生產(chǎn)階段質(zhì)量保證的同時，還要經(jīng)過更多的測試、老化篩選以及可靠性評價等技術(shù)過程。圖1給出了裸芯片和KGD產(chǎn)品的生產(chǎn)流程。
圖1 裸芯片和KGD產(chǎn)品的生產(chǎn)流程 a) 裸芯片 b) KGD
2，裸芯片的測試
裸芯片測試的目的是為了驗證裸芯片的電學(xué)參數(shù)和功能，同時保證裸芯片在測試過程中的完好性，從而使裸芯片達到KGD的要求。芯片測試座 測試座 間的接觸是一定壓力下的硬接觸，其能承受沖擊和振動的能力很弱，在測試過程中都必須進行特殊處理和對待。
在 芯片測試過程中，對于常溫和低溫測試，不需要對裸芯片進行防氧化保護，但為了減小環(huán)境中水汽對裸芯片功能和參數(shù)的影響，可對裸芯片所處的局部空間進行干燥 空氣或氮氣保護。對裸芯片進行高溫測試時，要避免芯片表面的鍵合區(qū)金屬化在高溫下發(fā)生氧化，影響KGD以后的使用。需要在高溫芯片測試時對裸芯片所處局部 空間充干燥氮氣等惰性氣體進行保護。
針對裸芯片有兩種類型的電學(xué)測試，即在線參數(shù)測試和硅片揀選測試。這兩種電學(xué)測試的條件不同，故在硅片 制造的不同階段進行。在線參數(shù)測試在完成第一層金屬刻蝕（前端工藝結(jié)束）后馬上進行，以獲得工藝和器件特性的早期信息。硅片揀選測試是IC制造中的一個重 要測試階段，它在硅片制造完成后進行，以確定硅片上的哪些芯片符合產(chǎn)品規(guī)格可以送到裝配和封裝部門。
(1)在線參數(shù)測試
在 線參數(shù)測試也稱為硅片電學(xué)測試（Wafer Electrical，WET),是對硅片上的測試圖形結(jié)構(gòu)進行的電學(xué)測試。因為它是把直流電壓加在器件的物理結(jié)構(gòu)上進行測試，有時候也被看成是一種直流 測試。在線參數(shù)測試在完成前端工藝（例如，擴散、光刻、注入）后進行得越早越好。典型的測試是在第一層金屬被淀積并刻蝕后進行，這就允許接觸式探針和特殊 測試結(jié)構(gòu)的壓點進行電學(xué)接觸。硅片制造中在線芯片測試的流程位置如圖2所示。
圖2 硅片制造中在線芯片測試的流程位置
A. 在線參數(shù)測試的內(nèi)容如下。
①鑒別工藝問題。硅片制造過程中工藝問題的早期鑒定（而不是等到已經(jīng)完成了硅片制造發(fā)現(xiàn)有問題才進行測試）。
在 線參數(shù)測試在制造過程中進行得越早越好。硅片上的器件沒有電源供應(yīng)和信號電壓， 而是用一些特殊的參數(shù)測試結(jié)構(gòu)來替代電流、電壓和電容的測試，以確定其工藝能力。測試之所以重要，是因為這是硅片第一次經(jīng)過一套完整的測試來檢驗制造過程 是否完全正確。通過/失效數(shù)據(jù)在工藝條件和器件特性之間建立了更為緊密的聯(lián)系。
隨著集成電路復(fù)雜程度的提高，工藝過程中的早期測試顯得越來 越重要。如果硅片制造的工藝條件不合適，參數(shù)測試就將不能通過測試的電學(xué)限制。缺陷小組也會對問題產(chǎn)生警覺并馬上采取修正措施。芯片測試數(shù)據(jù)提供實時信息 來監(jiān)控并優(yōu)化前端半導(dǎo)體工藝。在線參數(shù)測試設(shè)備是為連接硅片上的測試結(jié)構(gòu)而設(shè)計的一套自動化測試儀器，它具有執(zhí)行電學(xué)測試需要的復(fù)雜的軟硬件設(shè)施。自動參 數(shù)測試系統(tǒng)的組成如圖4所示。
圖3 自動參數(shù)測試系統(tǒng)
B. 在線參數(shù)測試設(shè)備主要測試子系統(tǒng)如下。
①探針卡接口。自動測試座 測試座
(2)硅片揀選測試
在硅片制造的最后工序，所有硅片上的芯片100%都要經(jīng)過硅片揀選測試，也稱為電學(xué)揀選測試、硅片探針
A. 硅片揀選測試的目標(biāo)如下。
①芯片功能。檢驗所有芯片功能的操作，確保只有好的芯片被送到裝配和封裝的下一個IC生產(chǎn)階段。
硅片揀選測試是一種功能測試，它通過確保器件能在IC數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的限制條件下完成所有特定任務(wù)來檢驗器件。例如，考察一臺新的個人計算機，要保證其第一次安裝時各種軟件程序和硬件器件都能工作。理想情況下，功能測試能包括制造過程中出現(xiàn)的所有問題。
硅片揀選測試對硅片制造的貢獻很大。制造工藝應(yīng)不斷進行工藝改進以維持摩爾定律。從這方面看，硅片制造工藝永遠不可能完全處于控制之下。硅片揀選測試提供了一種可以確保工藝和設(shè)計的改變不會對客戶芯片性能產(chǎn)生負(fù)面影響的度量方法。
芯 片測試一旦完成，不合格的芯片就會在計算機數(shù)據(jù)庫中被標(biāo)出，這樣它們就會在封裝之前被放棄。標(biāo)出不合格芯片的通常方法是墨水標(biāo)記，在每個不合格的芯片上用 墨水打點。墨水很臟，可能對芯片造成污染。正在獲得廣泛認(rèn)可的一種方法是電子硅片圖，即建立一張芯片位置和測試結(jié)果的計箅機圖形，以區(qū)分合格和失效的芯 片。芯片封裝是把電子芯片圖下載到設(shè)備數(shù)據(jù)庫里，并在硅片被切成單個芯片后剔除所有失效的芯片。
由于使用芯片測試系統(tǒng)時鐘和高頻輸人信號檢驗芯片性能，所以硅片揀選測試有時也稱為交流測試。硅片揀選測試中也有直流測試，如連接檢査、開路/短路、漏電流等測試。在功能測試中，DC測試通常首先進行，以決定芯片是否繼續(xù)后面的AC測試。
B. 硅片揀選測試中有3種典型測試。
①DC測試。連續(xù)性、開路/短路和漏電流測試。
硅 片揀選測試的成品率是通過硅片揀選測試的合格芯片所占的百分比來體現(xiàn)的。硅片制造的一個重要目標(biāo)是維持硅片揀選測試的高成品率。低成品率意味著大量芯片在 裝配和封裝時將會被廢棄。這個結(jié)果的代價是昂貴的，并且減小了工廠的產(chǎn)量。低成品率使芯片制造商難以按時向市場提供高質(zhì)量的芯片。第一年生產(chǎn)的典型硅片揀 選測試成品率約為60%，以后幾年為80% ~90%。，這和產(chǎn)品類型有很大關(guān)系。對動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）而言， 生產(chǎn)一到兩年后，98%的成品率是很正常的。
由于已經(jīng)完成了全部制造工藝，所以硅片揀選測試可以間接測量制造工藝的整體穩(wěn)定性和清潔度。硅片揀選測試在一項芯片測試中包含了所有工藝變化。
C. 影響芯片揀選測試成品率的制作和設(shè)計因素如下。
① 較大的晶圓直徑。自從半導(dǎo)體制造業(yè)開始以來，為了提高生產(chǎn)效率，硅片直徑穩(wěn)步增加。硅片越大，上面的芯片越多，對芯片成本的影響就越小。盡管更換制作設(shè)備 使之能容納更大的硅片直徑需要一大筆改造費用，但是如果工廠要生產(chǎn)更多的芯片，這些費用就是值得的。從本質(zhì)上說，改造費用被分?jǐn)偟搅舜罅康男酒�。大直�?硅片的一個好處是，硅片上不完整芯片的比例更小，其示意圖如圖7所示。不完整芯片是沒有功能的，因此，減少不完整芯片可以有效提高硅片揀選測試成品率。
大直徑硅片上有更多的芯片遠離硅片邊緣，受邊緣問題的影響較小。硅片邊緣的工藝變化發(fā)生率更高。例如，硅片邊緣更多的快速加熱和降溫會導(dǎo)致更大的熱不均勻性。硅片邊緣也更容易受到傳送和污染問題的影響。
② 晶粒尺寸的增加。增加芯片尺寸而不增加硅片直徑的結(jié)果就使硅片上完整芯片的比例更低。由于待測芯片減少，所以這一比例會影響硅片揀選測試成品率。下面來看 一個硅片上芯片的極端情況。如果只有一個芯片的硅片上有一個缺陷，那么揀選成品率為0%。；如果硅片表面有100個芯片和一個缺陷，那么揀選成品率就為 99%。若其他條件不變，則芯片多的硅片上的缺陷密度（單位面積上的缺陷數(shù)）也會降低。芯片尺寸嚴(yán)重影響測試成品率。為了支撐越來越復(fù)雜的芯片功能，多年 來芯片尺寸一直在增加。硅片直徑的增加可以平衡芯片尺寸的增加，以保持硅片上有足夠的芯片數(shù)量。
③制程步驟的增加。隨著IC工藝步數(shù)穩(wěn)步增 加，目前制作髙性能微處理器需要大約450道工序。工藝步數(shù)的增加主要是因為不斷增加的芯片復(fù)雜度。更多的工藝步數(shù)意味著由于傳送和工藝失誤將導(dǎo)致污染或 損壞硅片的機會增大。增加的污染會導(dǎo)致缺陷密度的增加和揀選測試成品率的降低。工藝步數(shù)的增加也會使處理一個部件的工藝周期延長。工藝周期的延長會造成整 個產(chǎn)品工藝流程的瓶頸， 增加芯片被污染的可能。
④縮小特征尺寸。自20世紀(jì)80年代以來，減小特征尺寸以提高芯片密度是改善硅片制造生產(chǎn) 率的一個重要方法。同時，減小的關(guān)鍵尺寸使圖形的形成更加困難，工藝中光刻缺陷的引入勢必影響測試成品率。深亞微米硅片更容易受到污染和缺陷密度的影響。 關(guān)鍵硅片層比非關(guān)鍵層導(dǎo)致硅片揀選測試失敗的可能性更大。
⑤制程成熟度。芯片制造商必須迅速開發(fā)新產(chǎn)品參與競爭。新產(chǎn)品連續(xù)進人生產(chǎn)會導(dǎo)致 工藝不穩(wěn)定，這將增加硅片揀選測試時的缺陷。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品生命周期的預(yù)測，產(chǎn)品生命早期的成品率低，成品率將隨工藝的成熟和提高。成熟的工藝有一個重復(fù)生 產(chǎn)優(yōu)質(zhì)芯片的穩(wěn)定高成品率時期。競爭壓力經(jīng)常要求加速工藝的成熟和提高。成熟的工藝有一個重復(fù)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)芯片的穩(wěn)定高成品率時期。競爭壓力經(jīng)常要求加速工藝 成熟，以縮短新產(chǎn)品的生命周期。圖9所示為DRAM技術(shù)達到成熟階段的時間縮短示意圖，從64KB DRAM的5年到256MB DRAM的一年。緊縮產(chǎn)品時間的加速，增加了產(chǎn)品小組快速提高成品率的壓力，避免了硅片揀選測試中的產(chǎn)品損失。
半導(dǎo)體制造商的一個重要目標(biāo)是減少缺陷以改善制作成品率。缺陷的減少可以加快成品率斜線上升的速度，提高日益復(fù)雜的瓦的成品率。在硅片制造中，大量芯片測試 和 測試數(shù)據(jù)的收集需要成品率管理系統(tǒng)， 也稱為缺陷縮減。如果運用得當(dāng)， 成品率管理就可以通過把缺陷和參數(shù)數(shù)據(jù)連接到制作工藝中的工作站上以改善成品率。分析缺陷數(shù)據(jù)可以確定問題的根源，然后釆取相應(yīng)的校正措施，可能包括停 機、維修和應(yīng)用校正工具。工作站上的芯片測試數(shù)據(jù)通常存為靜態(tài)工藝控制格式，能和硅片測試中發(fā)現(xiàn)的缺陷建立聯(lián)系。統(tǒng)計過程控制（SPC）是一種分析數(shù)據(jù)以 確定芯片測試工藝何時穩(wěn)定及是否需要校正的靜態(tài)方法。隨著自動化程度的提高和數(shù)百個相互依賴的工藝步驟，積極的成品率管理小組可以幫助產(chǎn)品小組改善成品 率。圖10給出了硅片制造中成品率管理示意圖。
圖4 硅片制造中成品率管理示意圖
