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        GaAs HBT 中測信號防護處理

        2020-05-11 09:02:16肖宗勇陳劍平陳燕玲徐智文
        微處理機 2020年2期
        關鍵詞:良率電性屏蔽

        肖宗勇,陳劍平,陳燕玲,徐智文

        (福建省福聯(lián)集成電路有限公司,福建 莆田351115)

        1 引 言

        電性測試的目的是檢驗規(guī)格的一致性及可接受的電學性能。如果發(fā)現(xiàn)電性缺陷,將確保有缺陷的芯片不會送至客戶端,并糾正制作過程中的問題[1]。電性測試必須迅速、準確地完成。測試中的高廢品率會削弱芯片的市占率,但若測試程序不完善造成低廢品率,將有更多產(chǎn)品在客戶使用過程中失效,增加轉移訂單的風險。為避免該情形,正確地得到電性良率是必須的。

        GaAs HBT 器件的中測(Circuit Probing, CP)過程主要以直流測試(例如:漏電流/偏壓和輸出電流)為主,有時會增加射頻功能測試項[2](例如:增益/小增益/P1dB/Pout),對應使用的測試工具是懸臂式探針卡。懸臂式探針卡主要由印刷電路板、探針、環(huán)氧樹脂和固定環(huán)四個部分組成,是測試機與晶圓間重要的媒介工具。藉由探針卡的探針與晶圓上的焊墊或凸塊接觸,將電性信號傳送到測試機并分析其功能與特性,進而判別晶粒的好壞[3]。中測可能會出現(xiàn)誤判的情況,其原因有測試機與探針卡的匹配問題或測試人員操作不當?shù)萚4]。探針和晶粒接觸在電氣性能上有所局限,容易因接地訊號處理不良而產(chǎn)生漏電和接觸電阻異常,這對于處理高精度的信號測量會帶來不良的影響。因此設計探針卡時要提供正確的焊墊坐標及配置,并根據(jù)不同的測試條件配置濾波及阻抗匹配。

        針對GaAs HBT 器件發(fā)生中測誤判的情形,可通過濾波、阻抗匹配及電磁屏蔽的方法改善探針卡,以得到真實的良率,滿足量產(chǎn)快速檢測需求。

        2 工作原理

        中測設備采用美國泰瑞達J750EX 測試機和日本東京精密UF200 系列探針臺,并搭配懸臂式探針卡。電腦端軟件IG-XL 通過GP-IB 連接J750EX 測試機與探針臺共同完成測試作業(yè)。中測的部分測試流程如下:從測試儀通過電纜束至測試頭,再通過測試頭至探針卡,然后通過探針至芯片上的焊點,到達被測器件,最后沿原路返回測試儀器[5]。最終電腦端通過測試條件中的規(guī)格范圍,判定此顆晶粒是否為良品。重復上述動作,即可得晶圓電性良率。

        3 結構與設計

        在驗證器件電性的過程中,為提升產(chǎn)能利用率,減少測試時間,降低測試過程中的無用功,會選擇Multi-Site 并行測試,將大大提高并行測試效率[6]。由于探針卡上的Site(測試單顆晶粒的所有探針)彼此之間會產(chǎn)生相互訊號干擾,進而影響測試數(shù)值,因此將Site 設置為間隔兩個晶粒進行制作。如圖1 所示,Site1、Site2 同時下針并測試Die1、Die4 電性,目的是減少Site 與Site 之間的干擾。

        圖1 探針間隔兩個晶粒測試示意圖

        即使Site 之間已間隔兩個晶粒,于單一Site 中同時進行所有電性測試項仍會造成誤判,因此需要對兩個Site 均做電磁屏蔽處理。完成電磁屏蔽的探針卡如圖2 所示,中間的卡匣用于固定懸臂式探針位置,銅箔遮擋導線較集中的區(qū)域,其他導線則穿過套管。套管由屏蔽膠帶包覆磁珠組成,目的是抑制信號線及電源線的高頻噪聲與尖峰干擾,并屏蔽電磁干擾。之后再根據(jù)測試需求進行濾波及阻抗匹配,可得到合理的電性良率。

        圖2 完成電磁屏蔽的探針卡

        4 結果與分析

        4.1 失效分析

        電性測試的良率不佳,可能來自工藝造成的不良或測試造成的誤判。若是中測的誤判,會出現(xiàn)部分晶粒電性呈現(xiàn)時好時壞的現(xiàn)象。除了屏蔽電磁干擾外,也須針對信號干擾進行處理,以得到穩(wěn)定且可再現(xiàn)的量測結果。圖3 是未進行電路匹配、所有測試項迭加的良率分布圖。淺色(即不良品)占大部分面積,整體圖形呈環(huán)狀分層現(xiàn)象。該結果大多是測試信號存在嚴重干擾與振蕩造成,與器件本身性能無直接相關。

        圖3 未電路匹配的中測良率(22.19%)

        圖4 是進行電路匹配后,所有測試項迭加的良率分布圖。深色(即良品)占大部分面積,且比例符合出貨良率最低要求。探針卡進行電磁屏蔽及電路匹配后,中測良率從22.19%變?yōu)?8.28%,避免大量的誤判,并滿足迅速、準確地檢測需求。

        圖4 電路匹配的中測良率(98.28%)

        圖5 是探針卡電路濾波及阻抗匹配原理圖。在GaAs HBT 器件的測試過程中,測試結果會因外界電磁干擾與樣品本身產(chǎn)生干擾信號而產(chǎn)生偏差。電容在電路中主要起到濾波作用,濾除信號中高頻尖峰,穩(wěn)定信號幅值。為了增強濾波作用效果,在針尾處添加了電感。由電感與電容組成的電路,主要起到濾波、振蕩、延遲、陷波以及篩選信號、過濾噪聲、穩(wěn)定電流及抑制電磁波干擾等作用。探針卡配置的電容及電阻方案是針對測試條件中,輸入電壓的管腳與需要收電流值的管腳(依業(yè)界目前規(guī)格選用50Ω 的電阻與47pF 的電容)。

        圖5 探針卡電路濾波及阻抗匹配原理圖

        器件測試項3 在Pad2 及Pad5 輸入電壓;測試項4 在Pad7 和Pad16 輸入電壓,因此在探針卡對應的Pin2、Pin5、Pin7、Pin16 都分別串聯(lián)電容與電阻。若使用并聯(lián)會導致電容和電阻值變小,從而產(chǎn)生波擾。串聯(lián)的目的是為了減少干擾,降低阻抗。

        4.2 結果分析

        表1 是探針卡未電路匹配時,某器件中測的數(shù)值。測試項3 的Pin2 與Pin4 分別接在Collector 端與Base 端,所得電流輸出值為Pin10 和Pin12 的總和。ICQ1_MB 電流值為36.45 mA,高于該測試項的上限。測試項4 的Pin2 與Pin4 分別接在Collector端與Base 端,所得電流輸出值為Pin10 和Pin12 的總和。ICQ2_MB 電流值為31.76mA,低于該測試項下限。由于電源剛開啟,電路中存在不穩(wěn)定的電流振蕩,沒有及時抑制與濾除,若信號剛好處于尖峰或低谷,就會出現(xiàn)超過規(guī)格的狀況。表2 是探針卡電路匹配后同器件中測的數(shù)值,所有測試項均在規(guī)格之內。

        表1 未電路匹配的中測結果

        表2 電路匹配的中測結果

        圖6 是電路匹配前測試項3 的Map,Map 分為三種顏色,其中淺色與深色區(qū)域的分層現(xiàn)象是探針卡的振蕩影響造成。由于傳輸在探針上的電壓不穩(wěn)定,導致信號波動,使器件電性反饋不穩(wěn)定。亮色區(qū)域是探針卡存在著Site 與Site 之間電磁相互干擾導致的,因此在探針卡的針尾處添加電感來抑制電磁波干擾,使多個Site 之間相互獨立工作而不受干擾。

        圖6 電路匹配前測試項3Map

        圖7 是電路匹配后測試項3 的Map。圖8 是WAT 測試的片電阻(Ω·cm)shot 分布情況,電路匹配后測試項3 與TaN 片電阻U%相符,表示該測試項可反推中測結果是否存在明顯的振蕩與干擾。

        圖7 電路匹配后測試項3Map

        圖8 晶圓的TaN 片電阻值

        手動探針臺可應用在射頻/毫米波器件表征中。通過在一定偏置條件下對CV、IV、S 參數(shù)的片上測量結果,可以清晰地表達和模擬器件的性能[7]。手動探針臺是探針直接與晶粒接觸,測試的電性比較準確;而中測需借助探針卡與晶粒接觸,所以需要進行額外的信號處理。為確認中測結果的可靠性,使用手動探針臺的數(shù)據(jù)進行對比。圖9 是針對同一晶粒,在2.5V~2.85V 區(qū)間內進行ICQ2_MB 測試項的電流測試,并比較三種方式之間的差異。藉由中測與手動探針臺量測的I-V 曲線比較,在95%置信水平上,自由度為7 時t 值為2.365,因為t計算<t表,說明在該置信水平上兩種方法無顯著性差異[8]。確保探針卡改善后的檢測數(shù)值與手動探針臺的數(shù)值相符。

        圖9 不同量測方式于同一晶粒進行I-V 曲線比較

        圖10 是電路匹配前測試項3 的高斯分布,測試項3 的結果分布是從10mA 到45mA。但該結果分布與實際TaN 片阻值U%不符,且分布較為發(fā)散。圖11 是電路匹配后測試項3 的高斯分布,其結果分布較集中且在規(guī)格上下限的區(qū)間之內。從電流值的高斯分布可得知中測結果屬于集中或發(fā)散,可間接反映工藝穩(wěn)定性,以及多數(shù)晶粒是否滿足規(guī)格要求。通過TaN 片電阻U%與測試項3 的比較,檢驗探針卡改善后振蕩與干擾的現(xiàn)象,可作為中測結果是否可靠的參考依據(jù),并評估電磁屏蔽及電路匹配方法是否合宜。由于單個晶粒的每個測試項目進行的測試時間很短,任何的外部干擾信號波動都會影響測試的最終結果數(shù)據(jù)。故若要防止量測時的干擾與振蕩的情況發(fā)生,可以事先針對探針卡作好防干擾與振蕩的防護處理。

        圖10 電路匹配前測試項3 高斯分布

        圖11 電路匹配后測試項3 高斯分布

        5 結 束 語

        針對GaAs 芯片在中測時產(chǎn)生異常現(xiàn)象的研究,提出了對探針卡進行干擾與振蕩的防護措施,采用電磁屏蔽與電路匹配的方式,并與中測設備相結合的測試過程,可以避免大量的誤判,滿足快速、準確的檢測需求。在探針卡的改善方面,未來可以增進探針數(shù)量,并滿足更高頻的器件量測,其設計細節(jié)和存在的問題還有待在后續(xù)研究中進一步摸索。

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