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(chǎng)對(duì)多芯片組件（MCM)、混合集成電路（HIC）有著強(qiáng)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(lái)源是國(guó)內(nèi)加工和國(guó)外進(jìn)口，無(wú)論是哪種渠道來(lái)源，這些裸芯片都只經(jīng)歷了工藝中測(cè)試的一 個(gè)芯片測(cè)試 環(huán)節(jié)，其質(zhì)量和可靠性基本無(wú)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(gè)問(wèn)題。KGD技 術(shù)通過(guò)對(duì)裸芯片的功能測(cè)試、參數(shù)測(cè)試、老化篩選和可靠性試驗(yàn)，使裸芯片在技術(shù)指標(biāo)和可靠性指標(biāo)上達(dá)到封裝成品的等級(jí)要求，從而解決了MCM和HIC中的裸 芯片質(zhì)量和可靠性問(wèn)題。
1.從裸芯片到KGD
一般的裸芯片只經(jīng)過(guò)常溫下基本的直流（DC）測(cè)試，芯片電性能、質(zhì)量、可靠性保證主要來(lái)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(yù)。由于沒(méi)有經(jīng)過(guò)芯片電測(cè)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(wú)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(shí)，還要經(jīng)過(guò)更多的測(cè)試、老化篩選以及可靠性評(píng)價(jià)等技術(shù)過(guò)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(cè)試
裸芯片測(cè)試的目的是為了驗(yàn)證裸芯片的電學(xué)參數(shù)和功能，同時(shí)保證裸芯片在測(cè)試過(guò)程中的完好性，從而使裸芯片達(dá)到KGD的要求。芯片測(cè)試座 測(cè)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(dòng)的能力很弱，在測(cè)試過(guò)程中都必須進(jìn)行特殊處理和對(duì)待。
在 芯片測(cè)試過(guò)程中，對(duì)于常溫和低溫測(cè)試，不需要對(duì)裸芯片進(jìn)行防氧化保護(hù)，但為了減小環(huán)境中水汽對(duì)裸芯片功能和參數(shù)的影響，可對(duì)裸芯片所處的局部空間進(jìn)行干燥 空氣或氮?dú)獗Ｗo(hù)。對(duì)裸芯片進(jìn)行高溫測(cè)試時(shí)，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(cè)試時(shí)對(duì)裸芯片所處局部 空間充干燥氮?dú)獾榷栊詺怏w進(jìn)行保護(hù)。
針對(duì)裸芯片有兩種類(lèi)型的電學(xué)測(cè)試，即在線參數(shù)測(cè)試和硅片揀選測(cè)試。這兩種電學(xué)測(cè)試的條件不同，故在硅片 制造的不同階段進(jìn)行。在線參數(shù)測(cè)試在完成第一層金屬刻蝕（前端工藝結(jié)束）后馬上進(jìn)行，以獲得工藝和器件特性的早期信息。硅片揀選測(cè)試是IC制造中的一個(gè)重 要測(cè)試階段，它在硅片制造完成后進(jìn)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(mén)。
(1)在線參數(shù)測(cè)試
在 線參數(shù)測(cè)試也稱(chēng)為硅片電學(xué)測(cè)試（Wafer Electrical，WET),是對(duì)硅片上的測(cè)試圖形結(jié)構(gòu)進(jìn)行的電學(xué)測(cè)試。因?yàn)樗前阎绷麟妷杭釉谄骷奈锢斫Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行測(cè)試，有時(shí)候也被看成是一種直流 測(cè)試。在線參數(shù)測(cè)試在完成前端工藝（例如，擴(kuò)散、光刻、注入）后進(jìn)行得越早越好。典型的測(cè)試是在第一層金屬被淀積并刻蝕后進(jìn)行，這就允許接觸式探針和特殊 測(cè)試結(jié)構(gòu)的壓點(diǎn)進(jìn)行電學(xué)接觸。硅片制造中在線芯片測(cè)試的流程位置如圖2所示。
圖2 硅片制造中在線芯片測(cè)試的流程位置
A. 在線參數(shù)測(cè)試的內(nèi)容如下。
①鑒別工藝問(wèn)題。硅片制造過(guò)程中工藝問(wèn)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(wèn)題才進(jìn)行測(cè)試）。
在 線參數(shù)測(cè)試在制造過(guò)程中進(jìn)行得越早越好。硅片上的器件沒(méi)有電源供應(yīng)和信號(hào)電壓， 而是用一些特殊的參數(shù)測(cè)試結(jié)構(gòu)來(lái)替代電流、電壓和電容的測(cè)試，以確定其工藝能力。測(cè)試之所以重要，是因?yàn)檫@是硅片第一次經(jīng)過(guò)一套完整的測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)制造過(guò)程 是否完全正確。通過(guò)/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(guò)程中的早期測(cè)試顯得越來(lái) 越重要。如果硅片制造的工藝條件不合適，參數(shù)測(cè)試就將不能通過(guò)測(cè)試的電學(xué)限制。缺陷小組也會(huì)對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生警覺(jué)并馬上采取修正措施。芯片測(cè)試數(shù)據(jù)提供實(shí)時(shí)信息 來(lái)監(jiān)控并優(yōu)化前端半導(dǎo)體工藝。在線參數(shù)測(cè)試設(shè)備是為連接硅片上的測(cè)試結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的一套自動(dòng)化測(cè)試儀器，它具有執(zhí)行電學(xué)測(cè)試需要的復(fù)雜的軟硬件設(shè)施。自動(dòng)參 數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的組成如圖4所示。
圖3 自動(dòng)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)
B. 在線參數(shù)測(cè)試設(shè)備主要測(cè)試子系統(tǒng)如下。
①探針卡接口。自動(dòng)測(cè)試座 測(cè)試座
(2)硅片揀選測(cè)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(guò)硅片揀選測(cè)試，也稱(chēng)為電學(xué)揀選測(cè)試、硅片探針
A. 硅片揀選測(cè)試的目標(biāo)如下。
①芯片功能。檢驗(yàn)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(gè)IC生產(chǎn)階段。
硅片揀選測(cè)試是一種功能測(cè)試，它通過(guò)確保器件能在IC數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的限制條件下完成所有特定任務(wù)來(lái)檢驗(yàn)器件。例如，考察一臺(tái)新的個(gè)人計(jì)算機(jī)，要保證其第一次安裝時(shí)各種軟件程序和硬件器件都能工作。理想情況下，功能測(cè)試能包括制造過(guò)程中出現(xiàn)的所有問(wèn)題。
硅片揀選測(cè)試對(duì)硅片制造的貢獻(xiàn)很大。制造工藝應(yīng)不斷進(jìn)行工藝改進(jìn)以維持摩爾定律。從這方面看，硅片制造工藝永遠(yuǎn)不可能完全處于控制之下。硅片揀選測(cè)試提供了一種可以確保工藝和設(shè)計(jì)的改變不會(huì)對(duì)客戶(hù)芯片性能產(chǎn)生負(fù)面影響的度量方法。
芯 片測(cè)試一旦完成，不合格的芯片就會(huì)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中被標(biāo)出，這樣它們就會(huì)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(gè)不合格的芯片上用 墨水打點(diǎn)。墨水很臟，可能對(duì)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(cè)試結(jié)果的計(jì)箅機(jī)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(kù)里，并在硅片被切成單個(gè)芯片后剔除所有失效的芯片。
由于使用芯片測(cè)試系統(tǒng)時(shí)鐘和高頻輸人信號(hào)檢驗(yàn)芯片性能，所以硅片揀選測(cè)試有時(shí)也稱(chēng)為交流測(cè)試。硅片揀選測(cè)試中也有直流測(cè)試，如連接檢査、開(kāi)路/短路、漏電流等測(cè)試。在功能測(cè)試中，DC測(cè)試通常首先進(jìn)行，以決定芯片是否繼續(xù)后面的AC測(cè)試。
B. 硅片揀選測(cè)試中有3種典型測(cè)試。
①DC測(cè)試。連續(xù)性、開(kāi)路/短路和漏電流測(cè)試。
硅 片揀選測(cè)試的成品率是通過(guò)硅片揀選測(cè)試的合格芯片所占的百分比來(lái)體現(xiàn)的。硅片制造的一個(gè)重要目標(biāo)是維持硅片揀選測(cè)試的高成品率。低成品率意味著大量芯片在 裝配和封裝時(shí)將會(huì)被廢棄。這個(gè)結(jié)果的代價(jià)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(shí)向市場(chǎng)提供高質(zhì)量的芯片。第一年生產(chǎn)的典型硅片揀 選測(cè)試成品率約為60%，以后幾年為80% ~90%。，這和產(chǎn)品類(lèi)型有很大關(guān)系。對(duì)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(cè)試可以間接測(cè)量制造工藝的整體穩(wěn)定性和清潔度。硅片揀選測(cè)試在一項(xiàng)芯片測(cè)試中包含了所有工藝變化。
C. 影響芯片揀選測(cè)試成品率的制作和設(shè)計(jì)因素如下。
① 較大的晶圓直徑。自從半導(dǎo)體制造業(yè)開(kāi)始以來(lái)，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(duì)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(fèi)用，但是如果工廠要生產(chǎn)更多的芯片，這些費(fèi)用就是值得的。從本質(zhì)上說(shuō)，改造費(fèi)用被分?jǐn)偟搅舜罅康男酒�。大直�?硅片的一個(gè)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(méi)有功能的，因此，減少不完整芯片可以有效提高硅片揀選測(cè)試成品率。
大直徑硅片上有更多的芯片遠(yuǎn)離硅片邊緣，受邊緣問(wèn)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(huì)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(wèn)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(cè)芯片減少，所以這一比例會(huì)影響硅片揀選測(cè)試成品率。下面來(lái)看 一個(gè)硅片上芯片的極端情況。如果只有一個(gè)芯片的硅片上有一個(gè)缺陷，那么揀選成品率為0%。；如果硅片表面有100個(gè)芯片和一個(gè)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(huì)降低。芯片尺寸嚴(yán)重影響測(cè)試成品率。為了支撐越來(lái)越復(fù)雜的芯片功能，多年 來(lái)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?yàn)椴粩嘣黾拥男酒瑥?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(jī)會(huì)增大。增加的污染會(huì)導(dǎo)致缺陷密度的增加和揀選測(cè)試成品率的降低。工藝步數(shù)的增加也會(huì)使處理一個(gè)部件的工藝周期延長(zhǎng)。工藝周期的延長(zhǎng)會(huì)造成整 個(gè)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(lái)，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(gè)重要方法。同時(shí)，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(shì)必影響測(cè)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(cè)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(kāi)發(fā)新產(chǎn)品參與競(jìng)爭(zhēng)。新產(chǎn)品連續(xù)進(jìn)人生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致 工藝不穩(wěn)定，這將增加硅片揀選測(cè)試時(shí)的缺陷。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品生命周期的預(yù)測(cè)，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(gè)重復(fù)生 產(chǎn)優(yōu)質(zhì)芯片的穩(wěn)定高成品率時(shí)期。競(jìng)爭(zhēng)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(gè)重復(fù)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)芯片的穩(wěn)定高成品率時(shí)期。競(jìng)爭(zhēng)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(dá)到成熟階段的時(shí)間縮短示意圖，從64KB DRAM的5年到256MB DRAM的一年。緊縮產(chǎn)品時(shí)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(cè)試中的產(chǎn)品損失。
半導(dǎo)體制造商的一個(gè)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(cè)試 和 測(cè)試數(shù)據(jù)的收集需要成品率管理系統(tǒng)， 也稱(chēng)為缺陷縮減。如果運(yùn)用得當(dāng)， 成品率管理就可以通過(guò)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(wèn)題的根源，然后釆取相應(yīng)的校正措施，可能包括停 機(jī)、維修和應(yīng)用校正工具。工作站上的芯片測(cè)試數(shù)據(jù)通常存為靜態(tài)工藝控制格式，能和硅片測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的缺陷建立聯(lián)系。統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）是一種分析數(shù)據(jù)以 確定芯片測(cè)試工藝何時(shí)穩(wěn)定及是否需要校正的靜態(tài)方法。隨著自動(dòng)化程度的提高和數(shù)百個(gè)相互依賴(lài)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
