借助PAT测试实现半导体器件的零缺陷制造

业界对于半导体器件零缺陷需求的呼声日益高涨，为此半导体制造商开始加大投资应对挑战，以满足汽车用户的需求。随着汽车中电子元器件数量的不断增加，必须严格控制现代汽车中半导体器件的质量以降低每百万零件的缺陷率(DPM)，将与电子元件相关的使用现场退回及担保等问题化，并减小因电子元件失效导致的责任问题。
美国汽车电子委员会AEC-Q001规范推荐了一种通用方法，该方法采用零件平均测试(Part Average Testing, PAT)方法将异常零件从总零件中剔除，从而在供应商这就改进部件的质量和可靠性。对给定晶圆、批号或被测零件组，PAT方法可以指示总平均值落在6σ之外的测试结果，任何超出给定器件的6σ门限值的测试结果均被视为不合格，并从零件总数中剔除，那些未达到PAT门限值的零件不能付运给客户,这样一来就改进了器件的质量和可靠性。
用户对这些规范的要求促使供应商之间的竞争更加激烈。在改进可靠性并降低缺陷率方面面临很大的压力，尤其对于目前由半导体控制的许多相当重要的安全功能，诸如刹车、牵引控制、动力及主动稳定控制系统。供应商既要改进已付运零件的质量,又要让这些规范对其成品率的影响。由于制造成本持续走低,测试成本却维持在相对不变的水平，因此测试成本在制造成本中的比重日益增大，元器件的利润空间持续缩水。由于绝大部分的成品率都不能够满足要求，所以供应商必须彻底评估他们的测试程序以便找到替代测试方法，并且从备选方法中反复试验直至找到方法。

不借助的分析和仿真工具，供应商就会在没有充分了解这些规范对供应链影响的情况下应用它们。更糟糕的是,如果盲目应用并遗漏了重要的测试,那么结果即使保证采用PAT之类的规范对器件进行了测试并以相同的DPM率付运,在这种情况下保证也是毫无疑义的，而且可靠性也会降低。
一些供应商似乎认为，在晶圆探测中进行PAT测试就足够了，但研究表明采用这种方法存在许多问题。在晶圆探测中采用PAT是道质量关，但在剩余的下游制造过程中，由于无数可变因素造成的变数增加，因此会在封装测试时导致更多的PAT异常值。如果供应商希望付运高质量的零件，他们就需在晶圆探测和终测试两个阶段都进行PAT测试，而且他们的客户也应推动该方法的应用。
实时PAT和统计后处理
PAT过程所采用的方法之一是分析由几个批次的数据，为每个感兴趣的测试建立PAT门限。这些门限计算为鲁棒平均值+/-6σ，并且通常作为规格上限(USL)和规格下限(LSL)整合到测试程序中。静态PAT门限必须至少每六个月复审并更新。
的方法是计算每个批次或晶圆的动态PAT门限。动态PAT门限通常比静态PAT门限更为严格，并且清除不在正常分布内的任何异常值。为重要的差异是动态PAT门限根据晶圆或批次计算，因而门限将会根据晶圆或批次所采用的材料性能连续变化。动态PAT门限计算为平均值+/-(n*σ)或中值+/-(N * 鲁棒σ)，且不能小于测试程序中所规定的LSL或大于USL。
所计算出的PAT门限定被用作图中所示的较低PAT门限(LPL)和较高PAT门限(UPL)。任何超过动态PAT门限且处于LSL和USL门限之间的值都被视为异常值。这些异常值通常被命名为故障并被装入一个特定的异常值软件和硬件箱。跟踪给定晶圆或批次所计算出的PAT门限以及每一个测试所检测到的异常量对于后期追溯具有重要意义。
实施PAT有两种主要方法：实时PAT和统计后处理(SPP)。供应商必须清楚是否要在探测和终测试中采用两种不同方法，还是只采用一种方案更有意义。
实时PAT根据对动态PAT门限的计算，在不影响测试时间的情况下，当零件被测试时就作出分选决策。这就需要能够处理监测和取样的复杂数据流的动态实时引擎。同样，这一过程也需要鲁棒的统计引擎，该引擎可捕获测试数据并执行必要的计算以产生新的门限，将新门限和分选信息送入测试程序；同时，监测整个过程以确保稳定性及可控性。供应商需要对探测和终测试进行实时处理并处理基线异常值。

统计后处理方法会产生相同的终测试结果，在一个批次完成之后，要对器件测试进行统计处理并作出分选决策。然而，因为分选决策是在批次处理后作出的，后处理只能用于晶圆探测，因为测试和分选结果与特定器件相关，以便重新分选。在封装测试中，器件一旦被封装，就没有办法跟踪或顺序排列，因而无法将测试及分选结果与特定器件联系起来。SPP还要求进行完全测试结果的数据记录以便做出决策，日益增加的IT基础架构需要(大量时间)并大大放慢了测试时间。由于结果被后处理，因此SPP将一个批次中基线异常值作为器件整体的一个部分进行处理。
两种方法在处理测试和分选结果时都需要运行强大的运算，就像区域性PAT和其它故障模式一样。区域性PAT的实例是一块晶圆中的一颗合格裸片被多块有故障的裸片包围。研究表明：这颗合格器件很可能过早出现故障，要努力减少汽车器件中的DPM，大部分供应商都必须找到这颗合格器件。
实时测试的实现
假定此刻我们正在制造用于汽车的电源管理器件，我们将历史测试数据载入分析工具并对器件参数数据作深度分析，以便发现哪个测试是PAT的较好备选。测试有优劣之分，有些测试更适合于PAT，有些测试对器件的功能测试更为重要。如果选择器件的所有测试，成品率将难以接受。
某些测试的问题在于数据不够稳定，以致于不能根据PAT标准进行测量。造成这种可变性的原因可能是器件本身所固有的，也可能是测试过程引起的(如自动测量设备中的一台仪器不能生成的测量结果)，还可能是封装过程引入的，这些测试恰恰不能进行统计控制且不能被测量。
基线用于建立给定晶圆或批次的动态PAT门限。例如，在一块含有1,000块裸片的晶圆上，100块典型裸片构成的基线就是这块晶圆恰当的统计取样值。
一旦达到基线，在动态PAT门限应用于实时环境前就需要执行几项重要任务。要对每个被选测试进行常态检查。如果数据正常分布，标准偏差就要采用“标准”方法计算；但是如果数据分布不正常，就要采用“鲁棒”方法来计算标准偏差。
每个被选测试的动态PAT门限必须被计算并存储在存储器中以用于随后的测试。初的LSL和USL保持不变，并依据初测试程序被用于检测测试故障。对被选测试基线异常值进行计算。在探测中，要保存X-Y 坐标以便在晶圆制做结束后进行处理。在封装测试中，基线器件被分选进基线箱。如果检测到基线中的异常值，那么就要识别出这些器件以便重新测试。
达到基线后，对每个被选测试进行动态PAT门限检查，并对每个器件进行实时装箱。那些不符合PAT门限的器件落入一个独特的“异常值”软件或硬件箱，该箱会将它们识别为PAT异常值器件以待进行后测试。
实时系统中的部分是器件被测时具有实时处理反馈的功能，触发动作并向工作人员发警报信号。例如，如果基线中的异常值总量超过用户输入的门限，触发器就会被激活，并向测试工作人员发出警报，以对封装测试时基线装箱零件进行重新测试。
在实时环境中，生产批次被运行后，统计基线中的异常值必须进行后处理。在SPP环境中这不是问题，因为整个数据块是在生产批次完成后被同时处理的。即使异常值的实际数量通常很少，处理基线器件中的异常值仍十分重要。
尽管两种PAT方案各有优点，但能够满足可靠性要求且不中断测试过程的快捷路径还是通过实时的、基于合理的统计方法进行主动质量管理。