26卷 第6期2009年6月
微电子学与计算机
M ICROEL ECTRON ICS &COMPU TER
Vol.26 No.6J une 2009
收稿日期:2009-03-16
金红杰，都二华，俞凯旋
(杭州士兰集成电路有限公司，浙江杭州310018)
摘 要:PCM (Progress Control and Monitor )工艺过程监控，是半导体制造过程中的一个重要的环节.它主要是对制造过程中的集成电路或者器件芯片的电参数进行测量，反映出产品在制作过程中是否符合工艺要求以及存在哪些质量问题.文中简要分析了PCM 测试系统的结构，重点探讨了PCM 测试系统应用中保证测试精度和提高测试效率的方法. 关键词：半导体制造;PCM 测试机；测试精度；测试效率
中图分类号:TN304 文献标识码:A 文章编号:1000-7180(2009)06-0166-05
Application R esearch of PCM T est T echnology
on Semiconductor Chip Manufacture
J IN Hong 2jie ,DU Er 2hua ,YU Kai 2xuan绝缘软母排
(Hangzhou Silan Intergrated Circuit Co.Ltd ,Hangzhou 310018,China )
Abstract :PCM is an important part in the semiconductor manufacture process.It mainly measures the electrical parame 2ters of integrated circuits or discrete devices in semiconductor manufacture.It reflects whether the products meet the de 2sign requirement and the quality related issues.This paper briefly analyzes PCM tester ’s structure ,and focuses on detailed issues which should be paid attention to while using the PCM tester ,to ensure the precision and the efficiency of test.K ey w ords :semiconductor manufacture ;PCM tester ;measuring accuracy ;measuring efficiency
1 引言
随着半导体集成电路生产规模越来越大，过程控制变的非常重要.作为工艺过程监控的PCM 系统的自动化程度越来越高，但是在测试中仍然有很多的细节问题需要重视，否则就会得出谬误的数据，误导工艺人员，造成不必要的产品报废.文中通过对PCM 测试中一些具体问题的分析，探索研究测试中一些容易忽略的细节[1].
2 PCM 测试设备的结构
半导体芯片制造中的PCM 设备，按作用来说
可以分为两类，用于集成电路产品测试和用于器件产品测试.本文将主要根据HP4062测试系统(含EG 2001探针台),REEDHOLM 测试系统(含
TEL20SR 探针台)P520测试系统等来举例论证[2].
不同的测试系统其结构可能会有不同
，但是基本上每个测试系统都含有以下3部分：电脑、测试机、探针台，如图1所示.
图1 PCM 测试系统结构示意图
电脑通过PCI 接口卡和测试机进行通讯,PCI 接口卡通过专用电路将PCI 总线数据转换成测试
机数据总线和地址总线，并通过接口卡控制测试机的电源.
PCM测试系统通过GPIB接口卡对探针台进行控制，通过调用GPIB卡的驱动函数，可以对探针台发出各种命令，监测探针台的状态、设置探针台的工作模式以及控制探针台的动作，这样可以对圆片上的任意测试点进行快速定位，并可以对探针台的返回数据进行采集.
3 消除外界因素对PCM测试的影响
手动刨冰机3.1 光照对三极管Iceo的影响
半导体材料具有光敏性质，在得到光照时会发生内光电效应，内光电效应又可分为以下两大类: (1)光电导效应.在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化;(2)光生伏特效应.在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势.内光电效应会显著增加Iceo测试中的漏电流.表1为实测的某三极管在有无光照下的数据对比. 表1 光照对Iceo测试的影响
Iceo(有光照)/μA Iceo(无光照)/μA
NPN管0.43160.01198 0.39280.01227 0.24820.00498 0.44440.01256 0.38180.01115
PNP管2.11840.0000294 2.34180.0000488 2.04060.0000516
1.86520.0000424
2.71240.0000562
所以说，半导体器件对光敏感，曝露在光下所引起的漏电流是很大的.在测试时一定要把灯关掉，同时用黑的罩子将测试窗口盖上.
3.2 场效应管小电流测试注意的问题
随着CMOS工艺的不断提高,MOSFET的尺寸不断缩小.为了提高MOSFET的反应速度，其功耗也已相应降低，这就需要观察MOSFET在小电流下的工作特性，所以小电流测试成为必需.那么应该怎么合理的选择措施来尽量减少测量误差，使小电流测试的更为准确呢?最主要的因素就是选择测试精度比较高的设备配置，这是最基本的.下面分别分析噪声产生的原因并提出解决问题的措施.
3.2.1 消除直流漏电流的措施
从理论上来讲，制作电缆，针卡连接头及针卡所用的绝缘体材料的电阻都是无穷大的，但是实际上所有材料的电阻都有一个固定的值，所以在测量时都会有漏电产生.选择电阻率足够大的材料，可以使产生的漏电比较小，减小影响测试结果.针卡连接头及针卡处有灰尘，也可能会导致有较大漏电的产生.另外，对导线上的寄生电容充电而产生的漏电，也可能对测试结果产生影响.
预防措施:
①选用高电阻率的材料，并保持针卡及其连接头的日常清洁.
②使用Actively GUARD线，使FORCE (SENCE)和GUARD线之间的电压差接近为零. 3.2.2 消除杂散电容耦合干扰的措施 在测量设备周围还存在其他的用电设备，必然会对测量设备产生一定的干扰信号.由于电路之间杂散电容的存在，外界噪声就可能通过杂散电容影响测量电路.
i noise=C coupling
d v noise
d t
式中,C coupling是噪声源导线和测量电路导线之间的杂散电容,i noise是所产生的噪声电流.可以看出, i noise与噪声电压随时间的变化率成正比
，同时也与C coupling成正比，而电容C与导体之间的距离成反比，所以可以增大噪声源和测量电路之间的距离来减少噪声对测量电路的影响.另外，如果测量电路的输入阻抗很小，其就越容易受到噪声的干扰.
预防措施:
①合理增大测量电路和噪声源之间的距离.
②测量电路要加屏蔽线，同时屏蔽线的接地电阻要尽可能小.
3.2.3 消除传输线寄生电容充电干扰的措施
PCM测试机所使用的电缆线，有两层结构(如图2)，有三层结构(如图3).在导线上或导线之间都会有寄生电容，因此要设法消除寄生电容对测试小电流的影响.
图2 两轴电缆
图4可以清楚的说明漏电的产生.当测试的漏电小于1nA数量级时，导线上的寄生电容产生的漏
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第6期金红杰，等：半导体芯片PCM测试技术的应用研究
图3
三轴电缆
图4 电缆小电流漏电模式
电就可能会对测量结果产生影响.当FORCE 上的电压变化时，因与Ground 之间存在压差，会对寄生电容充电，产生漏电.如下式:
I =C (d V /d t )式中,C 为CABL E 上的寄生电容,d V /d t 为FORCE 上电压的变化率.可以减小d V /d t ，即减小电压差.预防措施：使用Actively GUARD 线，使FORCE (SENCE )和GUARD 线之间的电压差接近为零，从而减小漏电，来防止对寄生电容充电，如图5所示
.
图5 Actively GUARD 接线示意图
3.2.4 消除交流噪声干扰
交流电源存在有很多的噪声，这些剩余的噪声
会对测量结果产生影响，这也是造成测量不准确的关键因素之一.
预防措施：可以采用平均读数的方法，将交流噪声消除.
在这里以REEDHOLM 测试机的同步(SYNC )测量为例子来介绍.同步测量的原理是：当开始测量
时,REEDHOLM 测试机的采样周期是50
μs ，在一个交流电周期20ms (使用的交流电的频率是50Hz )内，采样400次，然后将这400个值进行平均，取平均值作为最后的测量结果.表2中是在10M Ω电阻两端加100mV 的电压，循环测量10次电路中的电流值，不用同步测量和用同步测量所得值的比较.
表2 同步测量和非同步测量的比较
Initial time
Average/nA STD Dev/pA SYNC =N
5
9.89562826.368109.35937592.418309.36156595.465SYNC =Y
眼部艾灸器5
10.00339.35741010.00348.2218330
10.0064
5.53885
从表2中可见，用同步测量的值更接近实际值
(10nA )，这就是采用了同步测量从而消除了交流噪声的结果.
3.2.5 消除公共阻抗造成的干扰
系统的接地方式有单点接地和多点接地两种，其中单点接地又可以分为串连单点接地和并联单点接地，其应用场所不同.如果我们的测试设备采用的是多点接地或者是串连单点接地，就可能会导致各个设备的地电流流过公共的阻抗，从而形成干扰信号.
预防措施：分析接地方式，看是否符合单点接地，确认不同电路之间电流的通路是相互隔绝的.
以上所说的方式是相互联系的一个整体，在测试时需要综合考虑，不能只看到某一个方面，应该用多种方式来保证小电流能够正确的测量出来.
4 PCM 测试方法的优化
测试时，需要综合考虑测试的速度和精度，而这两者往往呈现负相关.必须对两者折衷考虑，实现相对优化测试.
在测试中，测试的速度越快越好，测量值越准确
越好，关键是对于测试需求来说，这两点哪一点更重
要.下面分析一下与测试速度和精度有关的几个因素.
4.1 如何缩短延迟时间
以REEDHOLM 测试机为例，在REEDHOLM 中有初始延迟(initial delay )，时间延迟(time delay )等等.
初始延迟：对于单步来说，表示从所输出的电压(电流)达到所期望的值到开始测试之间的时间，对于多步测试来说，它只是用来表示第一个步.时间延迟：多步测试，用初始延迟来表示达到第一个步(step )值到开始测量之间的时间，用时间延迟来表示后面的步值到开始测量之间的时间.
选择不同的初始延迟值不仅会影响测试的时间，同时还会影响测试的精度，所以必须综合考虑.
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一般的方法是可以从开始增加初始延迟，一直到可以获得需要的精度为止.4.2 同步测量
用同步测量可以减小交流噪声对测试结果的影响，可以获得更为准确的测量值，但是这无形之中就会增加了测试时间.4.3 对测试采样信号类型的选取
对于测试设备来说，输出电压达到稳定的时间远比输出电流达到稳定的时间要短，图6是FORCE I 和FORCE V 达到稳定时曲线的比较
.
图6 输出电流、电压曲线比较
从图6中以看出，输出10nA 电流达到100mV 的稳定时间大约为15ms ，而输出100mV 电
压达到10nA 的稳定时间大概只有2～3ms.所以为了提高测试速度，尽量应该选择FORCE V ，而不是FORCE I.
除了输出电压比输出电流达到稳定的时间短以
外，输出大电流达到稳定的时间，比输出小电流达到稳定的时间也要短.从图6中也可以看出来，输出10nA 电流达到100mV 的稳定时间大约为15ms ，而
同样是达到100mV ，输出100nA 的电流的稳定时间大概只有6～7ms.
4.4 寻求最快速测试方式
对于同一参数，可能有多种测试方法，但是在测试速度和测试精度上，可能会存在差异.下面以器件击穿电压的测量为例，来简单的说明这个问题.4.4.1 用扫描的方法
逐步增大加在待测元件DU T 两端的电压，同步测量每一个电压所产生的电流值，直到所要求的电流产生为止.可以看出，这种测量方法需要测量很多次，设置不同的电压扫描的范围，及步值都会对测量的速度和精度产生影响.对一个14V 的稳压管测量其Vz 值，如表3所示.
从表3可以看出，第一次设置的扫描范围是13
～15V ，第二次扫描范围是10～15V ，测试的时间有很大的不同.第一次的测试时间只有19.5941s ，而第二次测试时间却有79.9722s ，二者相差了有60s.
表3 不同的电压扫描范围对测试时间的影响
V1=13V2=15step =0.1IN ITIAL DELA Y =20time delay =30sync =y V1=10V2=15step =0.1IN ITIAL DELA Y =20time delay =30sync =y Elapsed
time (sec )=19.5941Test
time (sec )=783.766m Number of loops =25Average result =14.184Minimum result =14.1Maximum result =14.2Standard
deviation =37.4165mV
Elapsed
time (sec )=79.9722Test
time (sec )=3.19889Number of loops =25Average result =14.188Minimum result =14.1Maximum result =14.2Standard
deviation =33.1662mV
从表4可以看出，第一次设置的步值为0.1V ，第二次设置的为0.05V ，第二次的测试时间比第一次长了28s ，另外测试的精度却没有大的变化.
表4 不同的电压步对测试时间的影响
V1=13V2=15step =0.1IN ITIAL DELA Y =20time delay =30sync =y V1=13V2=15step =0.05IN ITIAL DELA Y =20time delay =30sync =y Elapsed
time (sec )=19.5941Test
time (sec )=783.766m Number of loops =25Average result =14.184Minimum result =14.1Maximum result =14.2Standard
deviation =37.4165mV
Elapsed
time (sec )=47.5449Test
time (sec )=1.90179Number of loops =25Average result =14.148Minimum result =14.1Maximum resylt =14.15Standard deviation =10mV
4.4.2 单点测试的方法
这种方法是，输出一个恒定的电流值I ，然后测量待测器件DU T 两端的电压值.虽然说输出电流稳定的时间比输出电压稳定的时间要长，但是由于这种方法只有一个步骤，所以其测量速度比第一种测量方法要快的多，见表5.
可以看出测量时间只有1.40166s ，比第一种扫描测试方法用时少，测试精度也没有什么大的变化，所以在需要提高测试速度的情况下，用这种测试方法还是比较适宜的.
击穿电压的测量只是其中的一个例子，对于其
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精密冲孔网
61 第6期金红杰，等：半导体芯片PCM 测试技术的应用研究
他的参数，可能也会有类似的情况，在具体的设置时要提前进行分析，选择最合理的测试方法.
表5 单点测试方法测量击穿电压
Force I=5m,measure V
Elapsed time(sec)=1.40166牛皮纸带
Test time(sec)=56.0665m
Number of loops=25
Average result=14.1286
美容喷雾器Minimum result=14.1053
Maximum resylt=14.1448
Standard deviation=11.2203mV
4.5 考虑测试头(探针台)的接触速度
由于在测试时，一般需要用探针台来进行自动上下片，所以探针台的速度也会影响测试的速度.可以尝试从提高探针台的传片速度上来着手.
4.6 PCM参数测试的合理顺序
在PCM测试中经常要进行一系列不同参数的测试，因为每个参数的测试过程都可能施加一定的电信号到被测器件上，这就会引起器件内载流子分布状态的改变.如若这种改变还未恢复原状，就开始下一个参数的测试，就会得出错误的结果.
4.6.1 B ICMOS集成电路芯片测试顺序问题
图7是BICMOS集成电路芯片的局部剖面图，右侧是一个横向PNP管，左侧是一个N沟MOS管.
按照PCM压点先后顺序，先对SPNP管进行测试
.
图7 部分集成电路元件测试剖面图
测试SPNP管Vceo耐压时,C极接-90V,E极接0V，测CE之间的耐压.对于SPNP管,C极为隔离，隔离与衬底相连，则衬底的电位也与隔离电位相同，为-90V.
NMOS的P阱也与衬底相连，那么由于P阱的电位已经为-90V，电子就会聚集在NMOS的表面，同时在栅极G下方形成沟道.于是，在NMOS未进行测试之前，栅极下面的N型沟道就已经存在.所以，之后就无法测出NMOS的阈值电压等参数.
解决的办法是修改程序，调换SPNP与NMOS 的测试顺序.即先对NMOS进行测试，再对SPNP 管进行测试，问题得到解决.
4.6.2 对IPCM测试中某NPN三极管Iceo参数时测试顺序安排的探讨
在实际测试中发现，三极管Iceo参数的测试，安排在其它不同参数测试结束后测试，得出的数据差别很大，如表6所示.
表6 不同测试顺序下Iceo的值的比较
20Vnpn Iceo Iceo Vbef Iceo Beta Iceo Vcesat Iceo Bvceo Iceo Vearly Iceo
10.00019300.00019680.00037200.00132540.00074240.00021180.0014536
20.00018560.00020320.00034720.00107040.00066180.00017260.0014218
30.00016540.00020040.00029220.00115300.00069200.00014040.0010666
40.00021500.00013300.00020240.00119540.00051440.00011900.0010246
50.00018860.00020560.00023760.00092720.00058620.00017260.0011430
从表6中可以发现:
(1)对NPN管测正向压降时，是在B极加一个很大的正向电流，自由电子到达集电结，此时再测试漏电流时，加电压的时间是很短的，自由电子还没来得及恢复，就为反向电流提供电荷来源，形成了较大的漏电流.而对于横向PNP管，发射极的浓度没有NPN管那么浓，而且基区的宽度较大，所以载流子在基区时已经复合，所以再测试漏电流时数值变得很小.
(2)测试Beta、饱和压降时，同上面的原因.测Beta时集电极的电流很大，有电流就会有功率损耗，这时PN结的温度会上升，而漏电流受温度的影响是很大的，所以Beta后测试的Iceo会比较大.
(3)测试耐压时，只是在集电极加一个电流，再测漏电流时会小一点，而且会比较稳定.
应该把NPN管的漏电流放在耐压后面测试，这样的数据既稳定，又能测试出其真实的值.对于横向PNP管漏电可以放在正向压降后面测试.
5 结束语
文中从外界因素、测试系统的本身硬件、测试软
(下转第174页)
071微电子学与计算机2009年
