不可或缺的射頻測試

　　問題之一是對于超薄介質(zhì)，由于存在大的漏電和非線性，通過標(biāo)準(zhǔn)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(shù)。隨著業(yè)界邁向65nm及以下的節(jié)點，對于高性能/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： 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，這在過去的確一直是這種情況。

　　但是，現(xiàn)在新的參數(shù)測試系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確、可重復(fù)地提取RF參數(shù)，幾乎和DC測試一樣容易。最重要的是，通過自動校準(zhǔn)、去除處理（de-embedding）以及根據(jù)待測器件（DUT）特性進行參數(shù)提取，探針接觸特性的自動調(diào)整，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)RF的完整測試。這方面的發(fā)展使得不必需要RF專家來保證得到好的測試結(jié)果。在生產(chǎn)實驗室，根據(jù)中間測試結(jié)果或者操作需要，自動探針臺和測試控制儀能夠完成過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)體公司驗證了這種用于晶圓RF生產(chǎn)測試的系統(tǒng)。

　　RF測試的應(yīng)用

　　無論你是利用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(yù)測最終產(chǎn)品的性能和可靠性，都需要晶圓級RF散射參數(shù)（s）的測量。這些測試對DC數(shù)據(jù)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。實際上，一個兩通道的s參數(shù)掃描能同時提取阻抗和電容參數(shù)，而采用常規(guī)DC方法，則需要分開測試，甚至需要單獨的結(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，然而價格波動大。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(yīng)用于晶圓級測試中，它能夠明顯改進使用RF芯片的模塊的良率。

　　芯片制造商也可以利用晶圓級RF測試來提取各種高性能模擬和無線電路的品質(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試技術(shù)能夠降低總體的測試成本。

　　130nm節(jié)點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) 電容測量技術(shù)不可能因為儀器而對測試引入串聯(lián)阻抗。

　　標(biāo)準(zhǔn)I-V/C-V測試面臨的挑戰(zhàn)

　　產(chǎn)品研發(fā)階段的設(shè)計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)。先進的設(shè)計工具要求的是統(tǒng)計模型，不是單個的一套參數(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)計結(jié)果，而RF不是的話，那么這個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)，則具有很高的價值。I-V和C-V測試中面臨的挑戰(zhàn)是要理解，什么時候它是產(chǎn)品特性的主要表征，什么時候不是。許多模擬和無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，它們是需要測量并提取出來的RF參數(shù)。對于數(shù)字和存儲器產(chǎn)品，只要器件的模型保持簡化，那么I-V和C-V對于有源和無源器件來說都是很有價值的測量項目。前面提到的，柵介質(zhì)的測量具有復(fù)雜的C-V模型。

　　采用RF/RF C-V的顧慮

　　不可靠的測試會阻礙生產(chǎn)管理。好器件的壞測量結(jié)果被稱為alpha錯誤。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驗室經(jīng)歷緩慢、艱苦的過程，這些結(jié)合起來都使得工程師不情愿采用量產(chǎn)RF測試，他們認(rèn)為會有高的alpha錯誤率。

　　人們還認(rèn)識到生產(chǎn)能力和運營成本將是不可接受的，而且還需要高水準(zhǔn)的技術(shù)支持來解釋測量結(jié)果。沒有可靠的校準(zhǔn)、以及接觸電阻問題所帶來的重復(fù)測試，造成了早期的RF系統(tǒng)的低生產(chǎn)能力。過去舊系統(tǒng)的校準(zhǔn)并不是對不同的測量頻率配置都有效。高的運營成本還與手動測試黃金標(biāo)準(zhǔn)校正片有關(guān)系，它用的是軟墊和昂貴的RF探針，這種探針會由于過度壓劃而很快壞掉，從而成本大增。市場上還有一種錯誤的理解，認(rèn)為晶圓級的s參數(shù)測試需要專門的探針和卡盤。

　　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(jié)構(gòu)。

● 結(jié)果不穩(wěn)定，隨設(shè)備、人和時間的變化而發(fā)生變化。

● RF專家必須照顧呵護每一臺設(shè)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時技術(shù)。

● 實驗室級別的結(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"一樣進行著RF芯片、新柵極材料和其他先進器件的設(shè)計和工藝開發(fā)。結(jié)果是設(shè)計與工藝的相互作用，大大增加了成本和走向市場的時間，同時還伴隨著更低的初始良率。

　　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化。這意味著機器人要把晶圓、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，設(shè)計測試系統(tǒng)時一個主要的目標(biāo)是沒有人為干預(yù)的情況下數(shù)據(jù)的完整性。

　　現(xiàn)在的第三代測試機臺具有達(dá)到40GHz的這種測試能力。不像實驗室的儀器，這些專門設(shè)計用于量產(chǎn)環(huán)境的測試機臺，根據(jù)不同的應(yīng)用，支持從6到65GHz的升級。要求第三代測試機臺能夠自動進行寄生去除處理，并根據(jù)DUT特性進行選擇測試，這是獲得可信的Cox, Fmax和Q值所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。這些算法，再加上改進的互連技術(shù)，以及自動的校準(zhǔn)過程，使得從s參數(shù)測試迅速準(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的測量假象。比如，在一個特征阻抗為50Ω的系統(tǒng)中，接觸電阻的任何變化都會限制測量的可重復(fù)性。設(shè)備制造商必須確定RF測試中所有不穩(wěn)定的起源，從而在設(shè)計測量系統(tǒng)時有針對性地加以消除。系統(tǒng)互聯(lián)的創(chuàng)新設(shè)計改進了系統(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量的可重復(fù)性，還要注意的其他方面如：測量自動化，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對探針進行清洗，這些都會明顯延長探針的壽命，這會降低主要的耗材成本（每根RF探針價值大約$1000）。這應(yīng)該也是測試機臺統(tǒng)計過程控制的一部分。

　　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，來源于收集數(shù)據(jù)的史密斯曲線就不會存在非物理假象；不再需要由專家來分析和解釋這些結(jié)果了。在舊的系統(tǒng)中，RF測試專家需要對數(shù)據(jù)進行監(jiān)控（跟蹤每個測試系列的曲線等），尋找奇怪的、或者意外的測量結(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，而不是測量的異常。

　　第三代參數(shù)測試儀通過改進邏輯方法使得持續(xù)監(jiān)控RF測量成為現(xiàn)實，降低甚或消除了對于RF專家技術(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大量的產(chǎn)品和生產(chǎn)設(shè)備獲取可重復(fù)的、實時的測量結(jié)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的必需之舉。實際上，一套第三代系統(tǒng)可以同時進行DC和RF測試（見"RF測試的創(chuàng)新設(shè)計"）。這個系統(tǒng)包含了許多其他的改進，以提高產(chǎn)能，使它在工藝監(jiān)控的量產(chǎn)晶圓級測試方面更實用。這些特點加速了建模實驗室的測量工作，同時又不降低測量結(jié)果的實驗室級別，從而縮短了研發(fā)周期和進入市場的時間。所有這些都可以通過簡單的系統(tǒng)升級實現(xiàn)，而不必購買專用的探針臺。當(dāng)校準(zhǔn)規(guī)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(shè)備保養(yǎng)時才會變化。

附文：RF測試的創(chuàng)新設(shè)計

　　很多年以來,晶圓級RF參數(shù)測試是給人的印象是頻率局限于6 GHz的"大鐵盒子"自動測試設(shè)備（ATE），或者是不能用于生產(chǎn)的實驗室系統(tǒng)。對于統(tǒng)計過程表征與控制都是不實用的。為了解決現(xiàn)有系統(tǒng)的問題，Keithley公司在2001年推出DC/RF系列參數(shù)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(tǒng)，探針只需一次壓入，DC和R F測試就可以并行進行。當(dāng)RF測試進行時，DC測試可以在后臺運行，或者相反，這取決于哪種測試更復(fù)雜。系統(tǒng)軟件提供實時的后序寄生消除處理和參數(shù)提取。

　　系統(tǒng)設(shè)計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)測試機臺在升級到第三代RF時都會大有收益（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，在過去，即使是在實驗室級別的系統(tǒng)上或者其他供應(yīng)商的設(shè)備上，這都是不可能的。

　　從一開始，設(shè)計的目標(biāo)就是使得fab設(shè)備操作人員能夠通過使用DC/RF參數(shù)測試系統(tǒng)，得到高質(zhì)量的RF測試結(jié)果?，F(xiàn)在，沒有經(jīng)過專門RF培訓(xùn)的操作人員只需要把晶圓放入測試系統(tǒng)，就能夠得到實驗室級別的結(jié)果。但操作人員要知道要測參數(shù)和器件的名字。

　　這些能力的獲得來源于專利、未決專利的軟硬件。每個系統(tǒng)包含的是業(yè)界最大的RF參數(shù)提取庫。

　　在65nm及以下結(jié)點，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測試的唯一解決方案。Keithley是20GHZ以上唯一通過量產(chǎn)驗證的RF測試系統(tǒng)供應(yīng)商。雖然這些系統(tǒng)主要是為了實驗室中的參數(shù)測試而設(shè)計，但是它在建模實驗室、量產(chǎn)參數(shù)監(jiān)控以及后道功能測試中都是非常實用的。一個使用該測試機臺的實驗室報道，以前要花費13周的時間來收集和分析的數(shù)據(jù)，利用這個系統(tǒng)只需要一個8小時的工作日就可以完成。用這種系統(tǒng)驗證一個新的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方法則要花兩個多月的時間。

　　軟接觸（自動Z方向調(diào)整）控制方式使得RF測試更出眾，耗材成本更低。這種新系統(tǒng)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修正測量結(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，一個用戶的一套RF探針，甚至將要用到4百萬次壓觸。在后面的一個案例中，六個月里少更換探針?biāo)?jié)省下來的錢，可以支付由DC系統(tǒng)升級到RF系統(tǒng)的費用。

　　這套系統(tǒng)中探針控制的另外一個特點是更好地利用探針抬起的時間。當(dāng)探針在尋址、針在空氣中時，系統(tǒng)進行s參數(shù)測量以確定針尖是否變臟了。如果臟了的話，探針會移動到清洗墊進行清潔工作。300mm主機中，這種單次測試中能夠自動觸發(fā)針尖清潔的功能與執(zhí)行單條命令時的校準(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測試機臺中非常頻繁，因此機械損傷時有發(fā)生。在許多其他系統(tǒng)中，機械互連需要使用轉(zhuǎn)矩扳手。這經(jīng)常會造成：扳手掉在探針卡上的事故性損傷，或者過扭損傷，或者連接不充分造成錯誤校準(zhǔn)。在第三代系統(tǒng)中，操作者只需要簡單地掀一下按鈕，探針卡出來、拿掉、新卡放在卡槽-所有這些都由機械手來做。此時測試頭在里面，因此對于大部分類型的探針臺來說，校準(zhǔn)不會受到影響。