武器装备电子系统和民用便携式电子产品向小型化、高性能、高可靠性方向的发展，使得巿场对多芯片组件（MCM)、混合集成电路（HIC）有着强烈和 旺盛的需求，而MCM和HIC都需要大量的裸芯片。目前裸芯片的主要来源是国内加工和国外进口，无论是哪种渠道来源，这些裸芯片都只经历了工艺中测试的一 个芯片测试环节，其质量和可靠性基本无法保证。优质芯片（KGD）概念的提出正是为了从根本上解决这个问题。KGD技 术通过对裸芯片的功能测试、参数测试、老化筛选和可靠性试验，使裸芯片在技术指标和可靠性指标上达到封装成品的等级要求，从而解决了MCM和HIC中的裸 芯片质量和可靠性问题。

1.从裸芯片到KGD

一般的裸芯片只经过常温下基本的直流（DC）测试，芯片电性能、质量、可靠性保证主要来自芯片制造工艺的稳定生产和质量控制，以及芯片制造商的信誉。由于没有经过芯片电测试和芯片老化筛选程序，所以芯片中存在着可能早期失效的样品，其可靠性无法得到根本的保证。而KGD在注重芯片生产阶段质量保证的同时，还要经过更多的测试、老化筛选以及可靠性评价等技术过程。图1给出了裸芯片和KGD产品的生产流程。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图1 裸芯片和KGD产品的生产流程      a) 裸芯片     b) KGD

2，裸芯片的测试

裸芯片测试的目的是为了验证裸芯片的电学参数和功能，同时保证裸芯片在测试过程中的完好性，从而使裸芯片达到KGD的要求。
裸芯片的测试方法和技术与标准封装集成电路的测试相类似，但是裸芯片的芯片测试座只提供了裸芯片测试时的临时封装，在测试过程中，裸芯片所承受的气氛与测试的环境气氛相同，因此测试过程中必须对裸芯片进行气氛控制。同时裸芯片与测试座间的接触是一定压力下的硬接触，其能承受冲击和振动的能力很弱，在测试过程中都必须进行特殊处理和对待。
要测试裸芯片，需要满足测试裸芯片功能和基本参数的测试仪，用于裸芯片高低温测试的高低温控制设备，测试过程中对裸芯片充氮气的保护设备。
裸芯片的测试可根据产品规范和用户需求进行常温、低温和高温芯片测试。

在 芯片测试过程中，对于常温和低温测试，不需要对裸芯片进行防氧化保护，但为了减小环境中水汽对裸芯片功能和参数的影响，可对裸芯片所处的局部空间进行干燥 空气或氮气保护。对裸芯片进行高温测试时，要避免芯片表面的键合区金属化在高温下发生氧化，影响KGD以后的使用。需要在高温芯片测试时对裸芯片所处局部 空间充干燥氮气等惰性气体进行保护。

针对裸芯片有两种类型的电学测试，即在线参数测试和硅片拣选测试。这两种电学测试的条件不同，故在硅片 制造的不同阶段进行。在线参数测试在完成第一层金属刻蚀（前端工艺结束）后马上进行，以获得工艺和器件特性的早期信息。硅片拣选测试是IC制造中的一个重 要测试阶段，它在硅片制造完成后进行，以确定硅片上的哪些芯片符合产品规格可以送到装配和封装部门。

(1)在线参数测试

在 线参数测试也称为硅片电学测试（Wafer Electrical，WET),是对硅片上的测试图形结构进行的电学测试。因为它是把直流电压加在器件的物理结构上进行测试，有时候也被看成是一种直流 测试。在线参数测试在完成前端工艺（例如，扩散、光刻、注入）后进行得越早越好。典型的测试是在第一层金属被淀积并刻蚀后进行，这就允许接触式探针和特殊 测试结构的压点进行电学接触。硅片制造中在线芯片测试的流程位置如图2所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图2 硅片制造中在线芯片测试的流程位置

A. 在线参数测试的内容如下。

①鉴别工艺问题。硅片制造过程中工艺问题的早期鉴定（而不是等到已经完成了硅片制造发现有问题才进行测试）。
②通过/失效标准。依据通过失效标准决定硅片是否继续后面的制造程序。
③数据收集。为了改进工艺，收集硅片数据以评估工艺倾向（如沟道长度的变化）。
④特殊芯片测试。在需要的时候，评估特殊性能参数（如特殊的客户需求〉。
⑤硅片级可靠性。当需要确定可靠性与工艺条件的联系时，进行随机的硅片级可靠性测试。

在 线参数测试在制造过程中进行得越早越好。硅片上的器件没有电源供应和信号电压， 而是用一些特殊的参数测试结构来替代电流、电压和电容的测试，以确定其工艺能力。测试之所以重要，是因为这是硅片第一次经过一套完整的测试来检验制造过程 是否完全正确。通过/失效数据在工艺条件和器件特性之间建立了更为紧密的联系。

随着集成电路复杂程度的提高，工艺过程中的早期测试显得越来 越重要。如果硅片制造的工艺条件不合适，参数测试就将不能通过测试的电学限制。缺陷小组也会对问题产生警觉并马上采取修正措施。芯片测试数据提供实时信息 来监控并优化前端半导体工艺。在线参数测试设备是为连接硅片上的测试结构而设计的一套自动化测试仪器，它具有执行电学测试需要的复杂的软硬件设施。自动参 数测试系统的组成如图4所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3  自动参数测试系统

B. 在线参数测试设备主要测试子系统如下。

①探针卡接口。自动测试座与待测器件之间的接口。自动参数测试座的探针如图5所示。
②晶圆定位。保证探针卡接口上的探针接触硅片的探针仪位置。
③芯片测试仪器。能够在测试结构上快速、准确、重复地测量亚微安级电流和微法级电容的自动测试设备。
④作为网络主机或客户机的计算机。包括测试软件算法、自动测试设备、用于硅片定位的探查控制软件、测试数据的保存和控制、系统校准和故障诊断。

(2)硅片拣选测试

在硅片制造的最后工序，所有硅片上的芯片100%都要经过硅片拣选测试，也称为电学拣选测试、硅片探针测试或者探测。硅片拣选的目的是检验硅片上哪些器件工作正常。这是硅片IC制造中的一个重要阶段。硅片上每个芯片都要全部按照DC和IC（交流）的产品功能规格进行测试。

A. 硅片拣选测试的目标如下。

①芯片功能。检验所有芯片功能的操作，确保只有好的芯片被送到装配和封装的下一个IC生产阶段。
②芯片分类。根据工作速度特性（通过在几个电压值和不同时间条件下测试得到）对好的芯片进行分类。
③生产成品率响应。提供重要的生产成品率信息，以评估和改善整体制造工艺的能力。
④测试覆盖率。用最小的成本得到较高的内部器件测试覆盖率。

硅片拣选测试是一种功能测试，它通过确保器件能在IC数据手册规定的限制条件下完成所有特定任务来检验器件。例如，考察一台新的个人计算机，要保证其第一次安装时各种软件程序和硬件器件都能工作。理想情况下，功能测试能包括制造过程中出现的所有问题。

硅片拣选测试对硅片制造的贡献很大。制造工艺应不断进行工艺改进以维持摩尔定律。从这方面看，硅片制造工艺永远不可能完全处于控制之下。硅片拣选测试提供了一种可以确保工艺和设计的改变不会对客户芯片性能产生负面影响的度量方法。

芯 片测试一旦完成，不合格的芯片就会在计算机数据库中被标出，这样它们就会在封装之前被放弃。标出不合格芯片的通常方法是墨水标记，在每个不合格的芯片上用 墨水打点。墨水很脏，可能对芯片造成污染。正在获得广泛认可的一种方法是电子硅片图，即建立一张芯片位置和测试结果的计箅机图形，以区分合格和失效的芯 片。芯片封装是把电子芯片图下载到设备数据库里，并在硅片被切成单个芯片后剔除所有失效的芯片。

由于使用芯片测试系统时钟和高频输人信号检验芯片性能，所以硅片拣选测试有时也称为交流测试。硅片拣选测试中也有直流测试，如连接检査、开路/短路、漏电流等测试。在功能测试中，DC测试通常首先进行，以决定芯片是否继续后面的AC测试。

B. 硅片拣选测试中有3种典型测试。

①DC测试。连续性、开路/短路和漏电流测试。
②输出检查。用来测试输出信号以检验芯片性能。
③功能测试。检验芯片是否按照产品数据规范的要求进行工作。

硅 片拣选测试的成品率是通过硅片拣选测试的合格芯片所占的百分比来体现的。硅片制造的一个重要目标是维持硅片拣选测试的高成品率。低成品率意味着大量芯片在 装配和封装时将会被废弃。这个结果的代价是昂贵的，并且减小了工厂的产量。低成品率使芯片制造商难以按时向市场提供高质量的芯片。第一年生产的典型硅片拣 选测试成品率约为60%，以后几年为80% ~90%。，这和产品类型有很大关系。对动态随机存取存储器（DRAM）而言， 生产一到两年后，98%的成品率是很正常的。

由于已经完成了全部制造工艺，所以硅片拣选测试可以间接测量制造工艺的整体稳定性和清洁度。硅片拣选测试在一项芯片测试中包含了所有工艺变化。

C. 影响芯片拣选测试成品率的制作和设计因素如下。

① 较大的晶圆直径。自从半导体制造业开始以来，为了提高生产效率，硅片直径稳步增加。硅片越大，上面的芯片越多，对芯片成本的影响就越小。尽管更换制作设备 使之能容纳更大的硅片直径需要一大笔改造费用，但是如果工厂要生产更多的芯片，这些费用就是值得的。从本质上说，改造费用被分摊到了大量的芯片上。大直径 硅片的一个好处是，硅片上不完整芯片的比例更小，其示意图如图7所示。不完整芯片是没有功能的，因此，减少不完整芯片可以有效提高硅片拣选测试成品率。

大直径硅片上有更多的芯片远离硅片边缘，受边缘问题的影响较小。硅片边缘的工艺变化发生率更高。例如，硅片边缘更多的快速加热和降温会导致更大的热不均匀性。硅片边缘也更容易受到传送和污染问题的影响。

② 晶粒尺寸的增加。增加芯片尺寸而不增加硅片直径的结果就使硅片上完整芯片的比例更低。由于待测芯片减少，所以这一比例会影响硅片拣选测试成品率。下面来看 一个硅片上芯片的极端情况。如果只有一个芯片的硅片上有一个缺陷，那么拣选成品率为0%。；如果硅片表面有100个芯片和一个缺陷，那么拣选成品率就为 99%。若其他条件不变，则芯片多的硅片上的缺陷密度（单位面积上的缺陷数）也会降低。芯片尺寸严重影响测试成品率。为了支撑越来越复杂的芯片功能，多年 来芯片尺寸一直在增加。硅片直径的增加可以平衡芯片尺寸的增加，以保持硅片上有足够的芯片数量。

③制程步骤的增加。随着IC工艺步数稳步增 加，目前制作髙性能微处理器需要大约450道工序。工艺步数的增加主要是因为不断增加的芯片复杂度。更多的工艺步数意味着由于传送和工艺失误将导致污染或 损坏硅片的机会增大。增加的污染会导致缺陷密度的增加和拣选测试成品率的降低。工艺步数的增加也会使处理一个部件的工艺周期延长。工艺周期的延长会造成整 个产品工艺流程的瓶颈， 增加芯片被污染的可能。

④縮小特征尺寸。自20世纪80年代以来，减小特征尺寸以提高芯片密度是改善硅片制造生产 率的一个重要方法。同时，减小的关键尺寸使图形的形成更加困难，工艺中光刻缺陷的引入势必影响测试成品率。深亚微米硅片更容易受到污染和缺陷密度的影响。 关键硅片层比非关键层导致硅片拣选测试失败的可能性更大。

⑤制程成熟度。芯片制造商必须迅速开发新产品参与竞争。新产品连续进人生产会导致 工艺不稳定，这将增加硅片拣选测试时的缺陷。根据标准产品生命周期的预测，产品生命早期的成品率低，成品率将随工艺的成熟和提高。成熟的工艺有一个重复生 产优质芯片的稳定高成品率时期。竞争压力经常要求加速工艺的成熟和提高。成熟的工艺有一个重复生产优质芯片的稳定高成品率时期。竞争压力经常要求加速工艺 成熟，以缩短新产品的生命周期。图9所示为DRAM技术达到成熟阶段的时间缩短示意图，从64KB DRAM的5年到256MB DRAM的一年。紧縮产品时间的加速，增加了产品小组快速提高成品率的压力，避免了硅片拣选测试中的产品损失。
⑥晶体缺陷。晶体缺陷（如断层）会影响硅片拣选测试成品率。断层会在硅片边缘的芯片和裂缝产生，或由不良的传送或自动传送设备造成。断层会向硅片中央移动，特别是在热处理（如氧化）的时候。

半导体制造商的一个重要目标是减少缺陷以改善制作成品率。缺陷的减少可以加快成品率斜线上升的速度，提高日益复杂的瓦的成品率。在硅片制造中，大量芯片测试和 测试数据的收集需要成品率管理系统， 也称为缺陷缩减。如果运用得当， 成品率管理就可以通过把缺陷和参数数据连接到制作工艺中的工作站上以改善成品率。分析缺陷数据可以确定问题的根源，然后釆取相应的校正措施，可能包括停 机、维修和应用校正工具。工作站上的芯片测试数据通常存为静态工艺控制格式，能和硅片测试中发现的缺陷建立联系。统计过程控制（SPC）是一种分析数据以 确定芯片测试工艺何时稳定及是否需要校正的静态方法。随着自动化程度的提高和数百个相互依赖的工艺步骤，积极的成品率管理小组可以帮助产品小组改善成品 率。图10给出了硅片制造中成品率管理示意图。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4  硅片制造中成品率管理示意图

 

 

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