武器裝備電子系統和民用便攜式電子產品向小型化、高性能、高可靠性方向的發展，使得巿場對多芯片組件（MCM)、混合集成電路（HIC）有著強烈和 旺盛的需求，而MCM和HIC都需要大量的裸芯片。目前裸芯片的主要來源是國內加工和國外進口，無論是哪種渠道來源，這些裸芯片都只經歷了工藝中測試的一 個芯片測試環節，其質量和可靠性基本無法保證。優質芯片（KGD）概念的提出正是為了從根本上解決這個問題。KGD技 術通過對裸芯片的功能測試、參數測試、老化篩選和可靠性試驗，使裸芯片在技術指標和可靠性指標上達到封裝成品的等級要求，從而解決了MCM和HIC中的裸 芯片質量和可靠性問題。

1.從裸芯片到KGD

一般的裸芯片只經過常溫下基本的直流（DC）測試，芯片電性能、質量、可靠性保證主要來自芯片制造工藝的穩定生產和質量控制，以及芯片制造商的信譽。由于沒有經過芯片電測試和芯片老化篩選程序，所以芯片中存在著可能早期失效的樣品，其可靠性無法得到根本的保證。而KGD在注重芯片生產階段質量保證的同時，還要經過更多的測試、老化篩選以及可靠性評價等技術過程。圖1給出了裸芯片和KGD產品的生產流程。

圖1 裸芯片和KGD產品的生產流程      a) 裸芯片     b) KGD

2，裸芯片的測試

裸芯片測試的目的是為了驗證裸芯片的電學參數和功能，同時保證裸芯片在測試過程中的完好性，從而使裸芯片達到KGD的要求。
裸芯片的測試方法和技術與標準封裝集成電路的測試相類似，但是裸芯片的芯片測試座只提供了裸芯片測試時的臨時封裝，在測試過程中，裸芯片所承受的氣氛與測試的環境氣氛相同，因此測試過程中必須對裸芯片進行氣氛控制。同時裸芯片與測試座間的接觸是一定壓力下的硬接觸，其能承受沖擊和振動的能力很弱，在測試過程中都必須進行特殊處理和對待。
要測試裸芯片，需要滿足測試裸芯片功能和基本參數的測試儀，用于裸芯片高低溫測試的高低溫控制設備，測試過程中對裸芯片充氮氣的保護設備。
裸芯片的測試可根據產品規范和用戶需求進行常溫、低溫和高溫芯片測試。

在 芯片測試過程中，對于常溫和低溫測試，不需要對裸芯片進行防氧化保護，但為了減小環境中水汽對裸芯片功能和參數的影響，可對裸芯片所處的局部空間進行干燥 空氣或氮氣保護。對裸芯片進行高溫測試時，要避免芯片表面的鍵合區金屬化在高溫下發生氧化，影響KGD以后的使用。需要在高溫芯片測試時對裸芯片所處局部 空間充干燥氮氣等惰性氣體進行保護。

針對裸芯片有兩種類型的電學測試，即在線參數測試和硅片揀選測試。這兩種電學測試的條件不同，故在硅片 制造的不同階段進行。在線參數測試在完成第一層金屬刻蝕（前端工藝結束）后馬上進行，以獲得工藝和器件特性的早期信息。硅片揀選測試是IC制造中的一個重 要測試階段，它在硅片制造完成后進行，以確定硅片上的哪些芯片符合產品規格可以送到裝配和封裝部門。

(1)在線參數測試

在 線參數測試也稱為硅片電學測試（Wafer Electrical，WET),是對硅片上的測試圖形結構進行的電學測試。因為它是把直流電壓加在器件的物理結構上進行測試，有時候也被看成是一種直流 測試。在線參數測試在完成前端工藝（例如，擴散、光刻、注入）后進行得越早越好。典型的測試是在第一層金屬被淀積并刻蝕后進行，這就允許接觸式探針和特殊 測試結構的壓點進行電學接觸。硅片制造中在線芯片測試的流程位置如圖2所示。

圖2 硅片制造中在線芯片測試的流程位置

A. 在線參數測試的內容如下。

①鑒別工藝問題。硅片制造過程中工藝問題的早期鑒定（而不是等到已經完成了硅片制造發現有問題才進行測試）。
②通過/失效標準。依據通過失效標準決定硅片是否繼續后面的制造程序。
③數據收集。為了改進工藝，收集硅片數據以評估工藝傾向（如溝道長度的變化）。
④特殊芯片測試。在需要的時候，評估特殊性能參數（如特殊的客戶需求〉。
⑤硅片級可靠性。當需要確定可靠性與工藝條件的聯系時，進行隨機的硅片級可靠性測試。

在 線參數測試在制造過程中進行得越早越好。硅片上的器件沒有電源供應和信號電壓， 而是用一些特殊的參數測試結構來替代電流、電壓和電容的測試，以確定其工藝能力。測試之所以重要，是因為這是硅片第一次經過一套完整的測試來檢驗制造過程 是否完全正確。通過/失效數據在工藝條件和器件特性之間建立了更為緊密的聯系。

隨著集成電路復雜程度的提高，工藝過程中的早期測試顯得越來 越重要。如果硅片制造的工藝條件不合適，參數測試就將不能通過測試的電學限制。缺陷小組也會對問題產生警覺并馬上采取修正措施。芯片測試數據提供實時信息 來監控并優化前端半導體工藝。在線參數測試設備是為連接硅片上的測試結構而設計的一套自動化測試儀器，它具有執行電學測試需要的復雜的軟硬件設施。自動參 數測試系統的組成如圖4所示。

圖3  自動參數測試系統

B. 在線參數測試設備主要測試子系統如下。

①探針卡接口。自動測試座與待測器件之間的接口。自動參數測試座的探針如圖5所示。
②晶圓定位。保證探針卡接口上的探針接觸硅片的探針儀位置。
③芯片測試儀器。能夠在測試結構上快速、準確、重復地測量亞微安級電流和微法級電容的自動測試設備。
④作為網絡主機或客戶機的計算機。包括測試軟件算法、自動測試設備、用于硅片定位的探查控制軟件、測試數據的保存和控制、系統校準和故障診斷。

(2)硅片揀選測試

在硅片制造的最后工序，所有硅片上的芯片100%都要經過硅片揀選測試，也稱為電學揀選測試、硅片探針測試或者探測。硅片揀選的目的是檢驗硅片上哪些器件工作正常。這是硅片IC制造中的一個重要階段。硅片上每個芯片都要全部按照DC和IC（交流）的產品功能規格進行測試。

A. 硅片揀選測試的目標如下。

①芯片功能。檢驗所有芯片功能的操作，確保只有好的芯片被送到裝配和封裝的下一個IC生產階段。
②芯片分類。根據工作速度特性（通過在幾個電壓值和不同時間條件下測試得到）對好的芯片進行分類。
③生產成品率響應。提供重要的生產成品率信息，以評估和改善整體制造工藝的能力。
④測試覆蓋率。用最小的成本得到較高的內部器件測試覆蓋率。

硅片揀選測試是一種功能測試，它通過確保器件能在IC數據手冊規定的限制條件下完成所有特定任務來檢驗器件。例如，考察一臺新的個人計算機，要保證其第一次安裝時各種軟件程序和硬件器件都能工作。理想情況下，功能測試能包括制造過程中出現的所有問題。

硅片揀選測試對硅片制造的貢獻很大。制造工藝應不斷進行工藝改進以維持摩爾定律。從這方面看，硅片制造工藝永遠不可能完全處于控制之下。硅片揀選測試提供了一種可以確保工藝和設計的改變不會對客戶芯片性能產生負面影響的度量方法。

芯 片測試一旦完成，不合格的芯片就會在計算機數據庫中被標出，這樣它們就會在封裝之前被放棄。標出不合格芯片的通常方法是墨水標記，在每個不合格的芯片上用 墨水打點。墨水很臟，可能對芯片造成污染。正在獲得廣泛認可的一種方法是電子硅片圖，即建立一張芯片位置和測試結果的計箅機圖形，以區分合格和失效的芯 片。芯片封裝是把電子芯片圖下載到設備數據庫里，并在硅片被切成單個芯片后剔除所有失效的芯片。

由于使用芯片測試系統時鐘和高頻輸人信號檢驗芯片性能，所以硅片揀選測試有時也稱為交流測試。硅片揀選測試中也有直流測試，如連接檢査、開路/短路、漏電流等測試。在功能測試中，DC測試通常首先進行，以決定芯片是否繼續后面的AC測試。

B. 硅片揀選測試中有3種典型測試。

①DC測試。連續性、開路/短路和漏電流測試。
②輸出檢查。用來測試輸出信號以檢驗芯片性能。
③功能測試。檢驗芯片是否按照產品數據規范的要求進行工作。

硅 片揀選測試的成品率是通過硅片揀選測試的合格芯片所占的百分比來體現的。硅片制造的一個重要目標是維持硅片揀選測試的高成品率。低成品率意味著大量芯片在 裝配和封裝時將會被廢棄。這個結果的代價是昂貴的，并且減小了工廠的產量。低成品率使芯片制造商難以按時向市場提供高質量的芯片。第一年生產的典型硅片揀 選測試成品率約為60%，以后幾年為80% ~90%。，這和產品類型有很大關系。對動態隨機存取存儲器（DRAM）而言， 生產一到兩年后，98%的成品率是很正常的。

由于已經完成了全部制造工藝，所以硅片揀選測試可以間接測量制造工藝的整體穩定性和清潔度。硅片揀選測試在一項芯片測試中包含了所有工藝變化。

C. 影響芯片揀選測試成品率的制作和設計因素如下。

① 較大的晶圓直徑。自從半導體制造業開始以來，為了提高生產效率，硅片直徑穩步增加。硅片越大，上面的芯片越多，對芯片成本的影響就越小。盡管更換制作設備 使之能容納更大的硅片直徑需要一大筆改造費用，但是如果工廠要生產更多的芯片，這些費用就是值得的。從本質上說，改造費用被分攤到了大量的芯片上。大直徑 硅片的一個好處是，硅片上不完整芯片的比例更小，其示意圖如圖7所示。不完整芯片是沒有功能的，因此，減少不完整芯片可以有效提高硅片揀選測試成品率。

大直徑硅片上有更多的芯片遠離硅片邊緣，受邊緣問題的影響較小。硅片邊緣的工藝變化發生率更高。例如，硅片邊緣更多的快速加熱和降溫會導致更大的熱不均勻性。硅片邊緣也更容易受到傳送和污染問題的影響。

② 晶粒尺寸的增加。增加芯片尺寸而不增加硅片直徑的結果就使硅片上完整芯片的比例更低。由于待測芯片減少，所以這一比例會影響硅片揀選測試成品率。下面來看 一個硅片上芯片的極端情況。如果只有一個芯片的硅片上有一個缺陷，那么揀選成品率為0%。；如果硅片表面有100個芯片和一個缺陷，那么揀選成品率就為 99%。若其他條件不變，則芯片多的硅片上的缺陷密度（單位面積上的缺陷數）也會降低。芯片尺寸嚴重影響測試成品率。為了支撐越來越復雜的芯片功能，多年 來芯片尺寸一直在增加。硅片直徑的增加可以平衡芯片尺寸的增加，以保持硅片上有足夠的芯片數量。

③制程步驟的增加。隨著IC工藝步數穩步增 加，目前制作髙性能微處理器需要大約450道工序。工藝步數的增加主要是因為不斷增加的芯片復雜度。更多的工藝步數意味著由于傳送和工藝失誤將導致污染或 損壞硅片的機會增大。增加的污染會導致缺陷密度的增加和揀選測試成品率的降低。工藝步數的增加也會使處理一個部件的工藝周期延長。工藝周期的延長會造成整 個產品工藝流程的瓶頸， 增加芯片被污染的可能。

④縮小特征尺寸。自20世紀80年代以來，減小特征尺寸以提高芯片密度是改善硅片制造生產 率的一個重要方法。同時，減小的關鍵尺寸使圖形的形成更加困難，工藝中光刻缺陷的引入勢必影響測試成品率。深亞微米硅片更容易受到污染和缺陷密度的影響。 關鍵硅片層比非關鍵層導致硅片揀選測試失敗的可能性更大。

⑤制程成熟度。芯片制造商必須迅速開發新產品參與競爭。新產品連續進人生產會導致 工藝不穩定，這將增加硅片揀選測試時的缺陷。根據標準產品生命周期的預測，產品生命早期的成品率低，成品率將隨工藝的成熟和提高。成熟的工藝有一個重復生 產優質芯片的穩定高成品率時期。競爭壓力經常要求加速工藝的成熟和提高。成熟的工藝有一個重復生產優質芯片的穩定高成品率時期。競爭壓力經常要求加速工藝 成熟，以縮短新產品的生命周期。圖9所示為DRAM技術達到成熟階段的時間縮短示意圖，從64KB DRAM的5年到256MB DRAM的一年。緊縮產品時間的加速，增加了產品小組快速提高成品率的壓力，避免了硅片揀選測試中的產品損失。
⑥晶體缺陷。晶體缺陷（如斷層）會影響硅片揀選測試成品率。斷層會在硅片邊緣的芯片和裂縫產生，或由不良的傳送或自動傳送設備造成。斷層會向硅片中央移動，特別是在熱處理（如氧化）的時候。

半導體制造商的一個重要目標是減少缺陷以改善制作成品率。缺陷的減少可以加快成品率斜線上升的速度，提高日益復雜的瓦的成品率。在硅片制造中，大量芯片測試和 測試數據的收集需要成品率管理系統， 也稱為缺陷縮減。如果運用得當， 成品率管理就可以通過把缺陷和參數數據連接到制作工藝中的工作站上以改善成品率。分析缺陷數據可以確定問題的根源，然后釆取相應的校正措施，可能包括停 機、維修和應用校正工具。工作站上的芯片測試數據通常存為靜態工藝控制格式，能和硅片測試中發現的缺陷建立聯系。統計過程控制（SPC）是一種分析數據以 確定芯片測試工藝何時穩定及是否需要校正的靜態方法。隨著自動化程度的提高和數百個相互依賴的工藝步驟，積極的成品率管理小組可以幫助產品小組改善成品 率。圖10給出了硅片制造中成品率管理示意圖。

圖4  硅片制造中成品率管理示意圖