不可或缺的射頻測試

admin @ 2014-03-19 , reply:0

概述
名稱:不可或缺的射頻測試最近主要的半導體製造商承認:研發和生產先進的IC晶元非常需要晶圓級的射頻(RF)測試。在一定程度上,這公然與2003年ITRS技術工作組對於建模與模擬的建議不符,該建議表明:「……
名稱:不可或缺的射頻測試
最近主要的半導體製造商承認:研發和生產先進的IC晶元非常需要晶圓級的射頻(RF)測試。在一定程度上,這公然與2003年ITRS技術工作組對於建模與模擬的建議不符,該建議表明:「對於RF精簡模型的參數提取,更應該儘力壓縮RF測試。如果需要,應該通過支持模擬的標準I-V和C-V測試來提取這些參數。」
問題之一是對於超薄介質,由於存在大的漏電和非線性,通過標準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。隨著業界邁向65nm及以下的節點,對於高性能/低成本數字電路,RF電路,以及模擬/數模混合電路中的器件,這方面的挑戰也在增加。

減少使用RF技術的建議是在以下特定的假設下提出來:假設RF技術不能有效地應用,尤其是在生產的環境下,這在過去的確一直是這種情況。
但是,現在新的參數測試系統能夠快速、準確、可重複地提取RF參數,幾乎和DC測試一樣容易。最重要的是,通過自動校準、去除處理(de-embedding)以及根據待測器件(DUT)特性進行參數提取,探針接觸特性的自動調整,已經能夠實現RF的完整測試。這方面的發展使得不必需要RF專家來保證得到好的測試結果。在生產實驗室,根據中間測試結果或者操作需要,自動探針台和測試控制儀能夠完成過去需要人為干涉的事情。世界範圍內,已經有7家半導體公司驗證了這種用於晶圓RF生產測試的系統。
RF測試的應用
無論你是利用III-V簇晶圓生產用於手機配件的RF晶元,還是利用硅技術生產高性能模擬電路,在研發和生產中預測最終產品的性能和可靠性,都需要晶圓級RF散射參數(s)的測量。這些測試對DC數據是重要的補充,相對於單純的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參數掃描能同時提取阻抗和電容參數,而採用常規DC方法,則需要分開測試,甚至需要單獨的結構以分離工藝控制需要的信息。
功放RF晶元的功能測試是這種性能的另外一種應用。這些器件非常複雜,然而價格波動大。生產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。已知良品晶元技術也可以應用於晶圓級測試中,它能夠明顯改進使用RF晶元的模塊的良率。
晶元製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因數。比如濾波器、混頻器以及振蕩器。SoC(System-on-chip)器件製造商希望這種子電路測試技術能夠降低總體的測試成本。
130nm節點以下的高性能邏輯器件中,表徵薄SiO2和高介電常數(high-k)柵介質的等效氧化層厚度(EOT)非常關鍵。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,而這種寄生效應在傳統的二元模型中將阻礙C-V數據的正確表示。中高頻 (MFCV, HFCV)電容測量技術不可能因為儀器而對測試引入串聯阻抗。
標準I-V/C-V測試面臨的挑戰
產品研發階段的設計工程師採用的模擬模型,包括從s參數數據提取的RF參數和I-V/C-V數據。先進的設計工具要求的是統計模型,不是單個的一套參數。這使得良率和功能特性的最優化成為可能。如果I-V和C-V參數基於統計結果,而RF不是的話,那麼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,作為電感表徵和控制的參數,則具有很高的價值。I-V和C-V測試中面臨的挑戰是要理解,什麼時候它是產品特性的主要表徵,什麼時候不是。許多模擬和無線器件特性的只要表徵參數是Ft和Fmax。理想的情況下,在第3諧波以外的使用情況下,它們是需要測量並提取出來的RF參數。對於數字和存儲器產品,只要器件的模型保持簡化,那麼I-V和C-V對於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,柵介質的測量具有複雜的C-V模型。
採用RF/RF C-V的顧慮
不可靠的測試會阻礙生產管理。好器件的壞測量結果被稱為alpha錯誤。在生產中,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歷緩慢、艱苦的過程,這些結合起來都使得工程師不情願採用量產RF測試,他們認為會有高的alpha錯誤率。
人們還認識到生產能力和運營成本將是不可接受的,而且還需要高水準的技術支持來解釋測量結果。沒有可靠的校準、以及接觸電阻問題所帶來的重複測試,造成了早期的RF系統的低生產能力。過去舊系統的校準並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準校正片有關係,它用的是軟墊和昂貴的RF探針,這種探針會由於過度壓划而很快壞掉,從而成本大增。市場上還有一種錯誤的理解,認為晶圓級的s參數測試需要專門的探針和卡盤。
生產中關於RF測試需要額外關注的方面:
●需要改變大量的測試結構。
●結果不穩定,隨設備、人和時間的變化而發生變化。
● RF專家必須照顧呵護每一台設備。
●對於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。
●實驗室級別的結果不可靠。
fab在這些認知的基礎上仍然維持現狀,像「瞎蒼蠅」一樣進行著RF晶元、新柵極材料和其他先進器件的設計和工藝開發。結果是設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。
生產解決方案
使晶圓級RF測試成為生產工藝控制工具的關鍵在於測試的完全自動化。這意味著機器人要把晶圓、校準標準、探針卡傳送到需要這些東西的地方。換句話說,設計測試系統時一個主要的目標是沒有人為干預的情況下數據的完整性。
現在的第三代測試機台具有達到40GHz的這種測試能力。不像實驗室的儀器,這些專門設計用於量產環境的測試機台,根據不同的應用,支持從6到65GHz的升級。要求第三代測試機台能夠自動進行寄生去除處理,並根據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挑戰。這些演算法,再加上改進的互連技術,以及自動的校準過程,使得從s參數測試迅速準確地提取RF參數成為可能。
精確的寄生去除處理包括糾正隨機的測量假象。比如,在一個特徵阻抗為50Ω的系統中,接觸電阻的任何變化都會限制測量的可重複性。設備製造商必須確定RF測試中所有不穩定的起源,從而在設計測量系統時有針對性地加以消除。系統互聯的創新設計改進了系統中主要部件之間連接的可重複性。
設備製造商為了保證測量的可重複性,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)的調整,探針的清潔初始化。控制好探針的變形量以及必要時對探針進行清洗,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)。這應該也是測試機台統計過程式控制制的一部分。
在具有穩定已知的誤差分佈,以及不確定性特徵的條件下,來源於收集數據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果了。在舊的系統中,RF測試專家需要對數據進行*(跟蹤每個測試系列的曲線等),尋找奇怪的、或者意外的測量結果,然後分析這些結果以確認它們代表的是工藝的變化,而不是測量的異常。
第三代參數測試儀通過改進邏輯方法使得持續*RF測量成為現實,降低甚或消除了對於RF專家技術支持的需求。使用這些系統,不周生產層面的操作者能夠通過大量的產品和生產設備獲取可重複的、實時的測量結果。RF測試幾乎和DC測試一樣容易,它也成為完全表徵晶圓器件時的必需之舉。實際上,一套第三代系統可以同時進行DC和RF測試(見「RF測試的創新設計」)。這個系統包含了許多其他的改進,以提高產能,使它在工藝*的量產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果的實驗室級別,從而縮短了研發周期和進入市場的時間。所有這些都可以通過簡單的系統升級實現,而不必購買專用的探針台。當校準規格存儲到探針台後,操作流程與單純的DC測試一樣,只有在周期性的設備保養時才會變化。


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