先进工艺中晶圆针测的应用

先进工艺中晶圆针测的应用

1工艺参数变异性对过程控制策略的影响随着工业和信息化设备对高效能标准的需求的增加，促进了我国主导半夏技术的摩尔定法可持续发展（65nm、40nm和28nm……）。器件尺寸持续微缩和性能的提升导致半导体制造工艺变异性(variation)管控和制造稳定性难度成倍增加,因此先进半导体产品的量产工艺窗口持续缩小正成为越来越大的挑战,如图1所示。半导体制造中的工艺参数变异性是固有特性,光刻关键尺寸、薄膜厚度、器件掺杂浓度等工艺变异性大小,引起同一类器件参数分布变宽,如图2所示。65nm下的晶体管饱和电流比130nm工艺的同一沟道宽度尺寸下的饱和电流离散度明显增加。这种工艺和器件的变异性会导致电路特性恶化甚至工作异常,对最终产品参数特性和良率产生直接影响针对半导体制造工艺的固有变异性,半导体工业界在先进工艺节点普遍采用了APC(AdvancedProcessControl)系统增加对工艺参数的控制。R2R控制技术是半导体制造中广泛运用的一种过程控制方法R2R(Run-to-Run)控制策略是针对间歇过程的基于模型的过程控制算法。在每个批次进行工艺过程前,根据历史工艺过程信息和当前晶圆信息,更能控制模型,动态调整晶圆加工的最佳配方,减少批次间的变异。半导体制造的APC控制系统一般以R2R策略为主,结合传统SPC管控和FDC技术,R2R控制算法有指数加权平均移动方法(exponentiallyweightedmovingaverage,EWMA)2辅助电路参数调整设计高性能可编程SoC芯片(MCU、DSP、FPGA等)的应用场景越来越广泛,用于制造可编程SoC芯片的嵌入式闪存工艺也成为半导体制造的特色工艺之一对于嵌入式闪存SoC产品,除了半导体制造工艺中普遍采用APC系统减少工艺和器件变异性外,通常在闪存操作需要的模拟电路也会增加了良率提升设计(DFY/DFT),预留闪存操作辅助电路参数的调整区间,可以适度应对半导体制造变异带来的电路性能差异以一个55nm工艺上验证过的某嵌入式闪存产品为例,电路设计中可以预留出32个调整档位,按照每个档位0.07V进行调整,这个DFY设计可以补偿目标范围内±1.1V的电路特性制造性变异。传统晶圆级测试中,都是针对每片晶圆、每个芯片单独进行电路参数调整,从档位边界开始全范围遍历,寻找符合目标的最佳档位,每个晶圆测试都是完全独立进行,无法利用晶圆历史基准数据,从而导致参数调整测试时间长,效率低下。针对晶圆制造中存在批次间(lottolot),晶圆间(wafertowafer)以及芯片内部(Dietodie)的制造性变异,本文提出了晶圆针测的ATC理念和基本算法实现,基于已测试晶圆和芯片的历史产品特性数据进行分析,结合待测电路调整行为建模和预测,动态调整扫描边界和算法,减少了参数调整测试时间,提升了晶圆针测效率。3参数调整atc算法晶圆级测试ATC流程图和组成元素可以简单表示为图4所示。ATC控制结构元素有下面几组。(1)电路参数调整目标和行为模型。一般模拟电路参数如高压、参考电压和电流的DFY/DFT设计,这些电路参数P的变化是调整档位x的函数f(2)电路参数调整基准模型和控制算法。本例中暂时不考虑批次间变异,将晶圆间和芯片内变异分成两个反馈控制环,形成晶圆级针测的ATC参数调整自适应测试。电路参数调整模型和调整的档位可以用公式(1)和公式(2)表示。式中i为当前调整测试晶圆,j为当前调整芯片,X传统参数调整的方法是全范围参数扫描,及每个芯片的Xjmax为每片晶圆上芯片总数,当前待测芯片参数调整起点为Xr(i,j)是上一片晶圆调整完成时的扫描起点Xr(i-1,max)和当前i晶圆已调整的芯片j-1实际调整档位Xi,j-1等历史特性参数经过ATC反馈计算的动态值。公式(4)中A为工艺变异性对批到批与芯片到芯片电路参数的影响的权重。(3)参数ATC扫描起点Xr更新。初始化遍历参数和参数扫描边界;(4)参数遍历算法控制器。基于参数调整的行为是否是线性、非线性,单调非单调,选择最优算法:一般针对单调的电路行为选择线性法遍历或者二分法查找,其算法复杂度为参数最大调整档位Xmax的函数log2(Xmax)。针对非单调电路行为,一般使用顺序查找调整空间是否存在目标匹配。(5)在参数调整遍历过程中,通过自动测试机对电路参数档位k进行设定,并且实时量测,参数调整空间遍历算法如图5所示。若遍历完成没有发现符合调整目标的档位,则判断参数调整失败,分Bin并停止测试;若发现符合目标的档位,调整成功。(6)原位记录和反馈当前测试芯片的参数调整档位X(7)离线针对晶圆最优调整档位和参数值进行SPC管控和分析,定期校正ATC参数调整模型中的权重因子A。这也可以作为半导体生产线基准线漂移的一个指标之一。4晶圆级参数atc测试为了简单阐述ATC参数测试的理念,本文以一个即将进入量产的55nm嵌入式闪存芯片的生产测试为例:此晶圆有72个验证芯片晶圆,需要在晶圆级测试中调节闪存擦写高压到4.5V,此电荷泵的输出高压调节函数Vout=f(x)调节范围有32个档位,所以x有0,1,2,3…31个有效离散值。传统的参数扫描调整算法:每片晶圆总调整步数表示为Stotal,扫描起点x从最小值固定值Xmin开始,每片晶圆总调整步数表示为公式(5)。基于ATC理念的参数调整算法总扫描步数可表示为公式(6)。根据图4和图5提出的晶圆级电性参数ATC反馈和调整算法,开发测试程式在某55nm先进嵌入式闪存产品的擦写高压参数调整测试进行了试验。一片晶圆按照传统非ATC调整测试后的最终档位分布如图6以及图7所示。按照参数调整目标,最终此高压参数正确调整后档位集中在中位值20,最大的档位为25,最小的档位为18,如表1所示。按照公式(5)和公式(6),在实验晶圆上传统参数调整方法和测试开销为1487步,而基于ATC算法调整的测试开销为249步,同比节省1238步,节省比率达83%,如表2所示。在同等晶圆针测条件下,参数调整步数的减少可直接等效于单位测试时间的减少。因此ATC理念的参数调整测试的效能较传统测试方法将显著提升。在大规模量产测试的情况下,产品模拟参数的调整测试有多个项目,在保证晶圆测试参数调整精度和覆盖率前提下,晶圆测试的时间的减少和测试成本的降低将是非常可观的。5混合信号soc/cp针测程式的开发与验证本文提出了一种晶圆级ATC测试理念并应用到先进混合信号芯片的大规模生产针测,同时提出了基本的ATC基本组成元素和实现算法。此算法在业界主流的