不可或缺的射频测试

2008-05-09 11:12:34来源: EDN
  最近主要的半导体制造商承认:研发和生产先进的IC芯片非常需要晶圆级的射频(RF)测试。在一定程度上,这公然与2003年ITRS技术工作组对于建模与仿真的建议不符,该建议表明:"对于RF精简模型的参数提取,更应该尽力压缩RF测试。 如果需要,应该通过支持仿真的标准I-V和C-V测试来提取这些参数。"

  问题之一是对于超薄介质,由于存在大的漏电非线性,通过标准I-V和C-V测试不能直接提取氧化层电容(Cox)。然而,使用高频电路模型则能够精确提取这些参数。随着业界迈向65nm及以下的节点,对于高性能/低成本数字电路,RF电路,以及模拟/数模混合电路中的器件,这方面的挑战也在增加。

  减少使用RF技术的建议是在以下特定的假设下提出来: 假设RF技术不能有效地应用,尤其是在生产的环境下,这在过去的确一直是这种情况。

  但是,现在新的参数测试系统能够快速、准确、可重复地提取RF参数,几乎和DC测试一样容易。最重要的是,通过自动校准、去除处理(de-embedding)以及根据待测器件(DUT)特性进行参数提取,探针接触特性的自动调整,已经能够实现RF的完整测试。这方面的发展使得不必需要RF专家来保证得到好的测试结果。在生产实验室,根据中间测试结果或者操作需要,自动探针台和测试控制仪能够完成过去需要人为干涉的事情。世界范围内,已经有7家半导体公司验证了这种用于晶圆RF生产测试的系统。

  RF测试的应用

  无论你是利用III-V簇晶圆生产用于手机配件的RF芯片,还是利用硅技术生产高性能模拟电路,在研发和生产中预测最终产品的性能和可靠性,都需要晶圆级RF散射参数(s)的测量。这些测试对DC数据是重要的补充,相对于单纯的DC测试,它用更少的测试却能提供明显更多的信息。实际上,一个两通道的s参数扫描能同时提取阻抗和电容参数,而采用常规DC方法,则需要分开测试,甚至需要单独的结构以分离工艺控制需要的信息。

  功放RF芯片的功能测试是这种性能的另外一种应用。这些器件非常复杂,然而价格波动大。生产中高频低压的测试条件排除了通常阻碍晶圆级测试的功耗问题。也不存在次品器件昂贵的封装费用。已知良品芯片技术也可以应用于晶圆级测试中,它能够明显改进使用RF芯片的模块的良率。

  芯片制造商也可以利用晶圆级RF测试来提取各种高性能模拟和无线电路的品质因数。比如滤波器、混频器以及振荡器。SoC(System-on-chip)器件制造商希望这种子电路测试技术能够降低总体的测试成本。

  130nm节点以下的高性能逻辑器件中,表征薄SiO2和高介电常数(high-k)介质的等效氧化层厚度(EOT)非常关键。RF测试在介电层的精确建模方面扮演了重要角色,它能够去除掉寄生元件,而这种寄生效应在传统的二元模型中将阻碍C-V数据的正确表示。中高频 (MFCV, HFCV) 电容测量技术不可能因为仪器而对测试引入串联阻抗。

  标准I-V/C-V测试面临的挑战

  产品研发阶段的设计工程师采用的仿真模型,包括从s参数数据提取的RF参数和I-V/C-V数据。先进的设计工具要求的是统计模型,不是单个的一套参数。这使得良率和功能特性的最优化成为可能。如果I-V和C-V参数基于统计结果,而RF不是的话,那么这个模型就是非物理的和不可靠的。

  在有些情况下,比如电感、I-V和C-V信息的价值都非常有限。但是,Q在使用的频率之下,作为电感表征和控制的参数,则具有很高的价值。I-V和C-V测试中面临的挑战是要理解,什么时候它是产品特性的主要表征,什么时候不是。许多模拟和无线器件特性的只要表征参数是Ft和Fmax。理想的情况下,在第3谐波以外的使用情况下,它们是需要测量并提取出来的RF参数。对于数字和存储器产品,只要器件的模型保持简化,那么I-V和C-V对于有源和无源器件来说都是很有价值的测量项目。前面提到的,栅介质的测量具有复杂的C-V模型。

  采用RF/RF C-V的顾虑

  不可靠的测试会阻碍生产管理。好器件的坏测量结果被称为alpha错误。在生产中,这可能意味着有晶圆被误废弃。让人误解的ITRS信息,以及许多公司在他们的建模实验室经历缓慢、艰苦的过程,这些结合起来都使得工程师不情愿采用量产RF测试,他们认为会有高的alpha错误率。

  人们还认识到生产能力和运营成本将是不可接受的,而且还需要高水准的技术支持来解释测量结果。没有可靠的校准、以及接触电阻问题所带来的重复测试,造成了早期的RF系统的低生产能力。过去旧系统的校准并不是对不同的测量频率配置都有效。高的运营成本还与手动测试黄金标准校正片有关系,它用的是软垫和昂贵的RF探针,这种探针会由于过度压划而很快坏掉,从而成本大增。市场上还有一种错误的理解,认为晶圆级的s参数测试需要专门的探针和卡盘。

  生产中关于RF测试需要额外关注的方面:

● 需要改变大量的测试结构。

● 结果不稳定,随设备、人和时间的变化而发生变化。

● RF专家必须照顾呵护每一台设备。

● 对于不同的批次可能需要完全不同的处理和操作流程。

● 怀疑这是否能够成为实时技术。

● 实验室级别的结果不可靠。

  fab在这些认知的基础上仍然维持现状,像"瞎苍蝇"一样进行着RF芯片、新栅极材料和其他先进器件的设计和工艺开发。结果是设计与工艺的相互作用,大大增加了成本和走向市场的时间,同时还伴随着更低的初始良率。


  生产解决方案

  使晶圆级RF测试成为生产工艺控制工具的关键在于测试的完全自动化。这意味着机器人要把晶圆、校准标准、探针卡传送到需要这些东西的地方。换句话说,设计测试系统时一个主要的目标是没有人为干预的情况下数据的完整性。

  现在的第三代测试机台具有达到40GHz的这种测试能力。不像实验室的仪器,这些专门设计用于量产环境的测试机台,根据不同的应用,支持从6到65GHz的升级。要求第三代测试机台能够自动进行寄生去除处理,并根据DUT特性进行选择测试,这是获得可信的Cox, Fmax和Q值所面临的主要技术挑战。这些算法,再加上改进的互连技术,以及自动的校准过程,使得从s参数测试迅速准确地提取RF参数成为可能。

  精确的寄生去除处理包括纠正随机的测量假象。比如,在一个特征阻抗为50Ω的系统中,接触电阻的任何变化都会限制测量的可重复性。设备制造商必须确定RF测试中所有不稳定的起源,从而在设计测量系统时有针对性地加以消除。系统互联的创新设计改进了系统中主要部件之间连接的可重复性。

  设备制造商为了保证测量的可重复性,还要注意的其他方面如:测量自动化,探针接触阻抗的修正,探针变形量(overdrive)的调整,探针的清洁初始化。控制好探针的变形量以及必要时对探针进行清洗,这些都会明显延长探针的寿命,这会降低主要的耗材成本(每根RF探针价值大约$1000)。这应该也是测试机台统计过程控制的一部分。

  在具有稳定已知的误差分布,以及不确定性特征的条件下,来源于收集数据的史密斯曲线就不会存在非物理假象;不再需要由专家来分析和解释这些结果了。在旧的系统中,RF测试专家需要对数据进行监控(跟踪每个测试系列的曲线等),寻找奇怪的、或者意外的测量结果,然后分析这些结果以确认它们代表的是工艺的变化,而不是测量的异常。

  第三代参数测试仪通过改进逻辑方法使得持续监控RF测量成为现实,降低甚或消除了对于RF专家技术支持的需求。使用这些系统,不周生产层面的操作者能够通过大量的产品和生产设备获取可重复的、实时的测量结果。RF测试几乎和DC测试一样容易,它也成为完全表征晶圆器件时的必需之举。实际上,一套第三代系统可以同时进行DC和RF测试(见"RF测试的创新设计")。这个系统包含了许多其他的改进,以提高产能,使它在工艺监控的量产晶圆级测试方面更实用。这些特点加速了建模实验室的测量工作,同时又不降低测量结果的实验室级别,从而缩短了研发周期和进入市场的时间。所有这些都可以通过简单的系统升级实现,而不必购买专用的探针台。当校准规格存储到探针台后,操作流程与单纯的DC测试一样,只有在周期性的设备保养时才会变化。

附文:RF测试的创新设计

  很多年以来,晶圆级RF参数测试是给人的印象是频率局限于6 GHz的"大铁盒子"自动测试设备(ATE),或者是不能用于生产的实验室系统。对于统计过程表征与控制都是不实用的。为了解决现有系统的问题,Keithley公司在2001年推出DC/RF系列参数测试机台。最近,它提出了第三代的RF测试能力(如图)。

  利用这些系统,探针只需一次压入,DC和R F测试就可以并行进行。当RF测试进行时,DC测试可以在后台运行,或者相反,这取决于哪种测试更复杂。系统软件提供实时的后序寄生消除处理和参数提取。

  系统设计受到了几家客户成功合作的影响,使得所有公司的DC参数测试机台在升级到第三代RF时都会大有收益(如表)。在半导体晶圆工厂中证明,不同技术人员使用生产设备的同一系统得到了相同的结果,在过去,即使是在实验室级别的系统上或者其他供应商的设备上,这都是不可能的。

  从一开始,设计的目标就是使得fab设备操作人员能够通过使用DC/RF参数测试系统,得到高质量的RF测试结果。现在,没有经过专门RF培训的操作人员只需要把晶圆放入测试系统,就能够得到实验室级别的结果。但操作人员要知道要测参数和器件的名字。

  这些能力的获得来源于专利、未决专利的软硬件。每个系统包含的是业界最大的RF参数提取库。

  在65nm及以下结点,这是量产中高耗散因数(high D)、高介电常数(high K)材料RF C-V测试的唯一解决方案。Keithley是20GHZ以上唯一通过量产验证的RF测试系统供应商。虽然这些系统主要是为了实验室中的参数测试而设计,但是它在建模实验室、量产参数监控以及后道功能测试中都是非常实用的。一个使用该测试机台的实验室报道,以前要花费13周的时间来收集和分析的数据,利用这个系统只需要一个8小时的工作日就可以完成。用这种系统验证一个新的RF工艺模型可能在几天内就可以完成,而如果用以前的RF方法则要花两个多月的时间。

  软接触(自动Z方向调整)控制方式使得RF测试更出众,耗材成本更低。这种新系统测量接触电阻,从而限制探针变形量和探针疲劳。接触电阻的值还被用来修正测量结果。

  在别的系统中,RF探针最好的使用寿命是大约3000次压触。采用软接触控制,在一种应用中,客户获得的探针有效寿命高达300,000次压触。 另外,一个用户的一套RF探针,甚至将要用到4百万次压触。在后面的一个案例中,六个月里少更换探针所节省下来的钱,可以支付由DC系统升级到RF系统的费用。

  这套系统中探针控制的另外一个特点是更好地利用探针抬起的时间。当探针在寻址、针在空气中时,系统进行s参数测量以确定针尖是否变脏了。如果脏了的话,探针会移动到清洗垫进行清洁工作。300mm主机中,这种单次测试中能够自动触发针尖清洁的功能与执行单条命令时的校准功能一样,是这些第三代系统所特有的。

  探针卡更换在RF测试机台中非常频繁,因此机械损伤时有发生。在许多其他系统中,机械互连需要使用转矩扳手。这经常会造成:扳手掉在探针卡上的事故性损伤,或者过扭损伤,或者连接不充分造成错误校准。在第三代系统中,操作者只需要简单地掀一下按钮,探针卡出来、拿掉、新卡放在卡槽-所有这些都由机械手来做。此时测试头在里面,因此对于大部分类型的探针台来说,校准不会受到影响。

关键字:晶圆  漏电  非线性  高频  RF  数字  节点

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2008/0509/article_102.html
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