完美的图像：协助IBM生产芯片

凭借一系列的检测系统、发射显微镜及其它以图像为基础的工具，IBM的工程师得以优化其300mm芯片制造工厂的工艺。

在300mm的硅片上使用深亚微米工艺制造高性能的微处理器需要化的工艺、清晰的设计规则和的误差。为了使公司的产品达到预期的性能，IBM微测试和开发部门(Micro Test and Development，MTD)诊断实验室的工程师使用大量的图像工具，对半导体硅片和封装的器件进行精密的探测。IBM技术协作部门的电子工程师Pat McGinnis和他的六个同事一道，使用ATE系统对被测试器件进行测试，并设计出能同DUT（device under test）交互工作的设备。他们所使用的诸多图像系统中都嵌入了DUT。
“我们的首要职责是对IBM系统和技术集团生产的处理器加入电源激励，并进行测试，” McGinnis解释说，“我们图像诊断实验室不仅为IBM自己生产的300mm产品提供服务，也为其它客户的300mm工艺开发提供诊断服务。到目前为止，我们已经对近生产的双核IBM POWER6处理器、STI(Sony、Toshiba、 IBM)的处理器、XBOX 360游戏机芯片以及Nintendo PowerPC的游戏机处理器进行了完全的SOC测试和图像诊断。

测试IBM开发的处理器的步一般是交给MTD部门的MTD测试实验室完成，该实验室由 Franco Motika领导。MTD测试实验室的ATE系统包括Advantest 的6671/6672/6682测试平台和Teradyne的 Ultra Flexes 测试平台。研究人员使用ATE系统进行一系列的结构和功能测试，从而查找产品及工艺中的问题。如果电性能测试的结果表明有必要进行进一步的测试，研究人员就将产品交给McGinnis所属的图像诊断小组。

McGinnis说，图像诊断实验室初的主要任务是隔离工艺开发的缺陷。然而，随着300mm硅片技术的出现，单独的工艺和产品测试并不能达到预期的效果。他解释说，将二者结合起来能简化技术革新产生的问题，而且，随着工艺开发和产品设计同时进行，两者结合的方法变得越来越重要。McGinnis说，他们的实验室有能力进行各种测试，包括对位于同一硅片上两个管芯之间的切口进行在线测试，以及对产品进行完整的功能测试。

如果有产品或工艺在McGinnis的实验室被检测出有问题，这是否说明产品或工艺完全失效呢？“完全不是这样”，McGinnis说,“工艺开发和产品设计是同步进行的。你不能简单地把问题归咎于工艺开发者或产品设计者，因为他们都在同时采用新的工艺和新的设计。通常情况下，出现问题的主要原因在于这里存在不为任何人知道的东西。因此，工艺开发人员和产品设计人员必须合作。只有这样才能解决所有的问题——有可能需要对工艺做出修改或对设计做出更正。一个团队，如果不知道其合作伙伴正在做的事情，那是不能很好地做好自己的本职工作的。”

 “由于图像诊断实验室使用了诸多的先进技术，这就对实验室的工程师提出了很高的要求。因为一个工程师同时也必须知道他的同事所做的事情，”McGinnis说，“我通常认为我们自己都只是对所有的技术略知一二，并没有完全掌握任何技术，因此，我们在编制测试程序和理解制造工艺时都非常依赖我们的合作伙伴。我同IBM内部任何你能想到的部门的人员打交道——生产线前端的工作人员、后端的工艺开发工程师、设计工程师、测试工程师。”

McGinnis也同IBM的客户打交道：“IBM非常在乎它的客户。如果我们的合作伙伴在使用我们的工艺时碰到了问题，即使这些技术已经转移到他们的制造厂，我们仍然会尽量帮助他们解决这些问题。”

除了进行工艺及产品方面的诊断，McGinnis的实验室还有一个独特的优势，即他们在介于电性能测试和物理失效分析之间的领域具有自己的优势。“电性能测试，不管是在线测试、终的硅片测试还是终的模块测试，都能给予测试者很多信息。”根据电性能测试的结果，IBM的以Fishkill为基础的物理失效分析(physical failure analysis，PFA)实验室将进一步使用诸如扫描电子显微镜的设备来确定实际的物理缺陷。随着器件变得越来越微小，将PFA团队的注意力引向可能存在缺陷的区域就变得很重要了。

另外，McGinnis指出，硬缺陷不再占主导地位，那些对环境敏感的缺陷产生的概率越来越高，而且用传统的方法难以探测这些缺陷。“这正是我们所专注的领域。我们将诸如场发射显微镜等传统的PFA工具与能对器件进行测试的ATE系统相结合。我们动态地测试器件，这些器件可以是硅片或模块，并开发出能让我们的图像工具观测器件的设备。对测试不通的设计，我们都要定制出能与图像工具相匹配的此类设备。”

“我们实验室有一套带有定制设备的图像工具，这样，在对器件进行图像分析的同时能完全控制器件。我们的图像工具包括Credence的 Emiscope III PICA(皮秒成像电路分析)，Hamamatsu的 Phemos 1000场发射显微镜以及各种能匹配不通测试硬件的半自动的探测系统，包括Suss的 NC-1非接触测试机。”

至于测试器件的ATE系统主要是Agilent Technologies 93000。公司开始使用的是空气冷却的HP 82000 ATE测试系统。负责工程开发、测试和图像显示的John Sylvestri正是使用这一系统进行图像诊断的。McGinnis认为HP 82000是现今使用的所有SOC测试系统的先驱。这一测试系统的寿命已经有20年了，而且HP/Agilent对其已经不提供客户服务。但这台机器已经使用了15年，并且工作状况良好。

McGinnis指出，82000速度慢于现今的测试工具，但这并不是进行图像诊断的主要的缺陷。“在诊断模式下，所有的设备可以在较慢的速度下工作。而且能与高速下工作得到相同的结果。在过去的五年间，由于速度较快，线上的时间损失或者来回的延时并不造成很大的问题。你所需做的只是使你的测试设备同你的测试器件同步。”

但McGinnis同时指出，82000缺少处理测试数据所必须的向量存储器，而这是测试先进的ASIC和微处理器所必需的。这也是为什么他的实验室使用Agilent 93000的原因之一。目前Agilent 93000是用来同图像观测工具协同工作的主要测试平台。

McGinnis解释说，Agilent 93000的主要优点在于该设备将引脚集成到测试头中，这使得将所需的测试资源传至合适的图像工具变得简单易行。而且当他们的实验室购买这一设备的时候，即便不是的，也是当时世界上仅有的拥有如此高性能的几台SOC测试设备的厂商之一。另一独特的性能是当人工操作时，能在较大的范围内将电源和冷却水传输至测试头上。

Rich Oldrey 指出：“许多实验室为每一台测试系统配备一套工具，如探测平台、场发射显微镜或波形工具如PICA，但是我们并不这么做。”这套工具的主要任务包括工程硬件设计、制造、测试和图像显示。

McGinnis说：“那种方法成本更高。测试系统必须与装载平台完全匹配。所有的I/O引脚的印记主要由测试头的设计者设置。我们自己设计了一个电缆接口，通过这一接口可以将测试头中的I/O传入子卡或其它工具中。这样，我们就能以模块或器件为基础进行重新设计。然后，通过在子卡或固定工具上的跳线，我们能以任何方式设置电源。我们可以远程或者就地探测电压降，例如，在测试头或探测环上。我们很幸运，次便达到了我们的目的。这一电缆接口是通用的接口，它可以处理很低的电压和超过1000W的功率。”

McGinnis将固定设备策略( )的成功归功于Oldrey 和 Darrell Miles。他们主要负责设备维护、DUT硬件设计和制造以及图像诊断支持。Oldrey将成功归因于他和John Sylvestri 在发现问题和缺陷方面所积累的长达25年的工作经验。

对于功耗大的器件，Miles提出了一种方法，即在DUT的陶瓷基底和钢片之间形成密封。钢片主要有两个作用，一是将器件固定在插槽中形成电连接，另一个作用是形成空腔。这样，在冷却器中可以通过空腔抽取并终形成水冷吸热系统。其吸热效率达200 W/cm2，而同时保持较小的厚度使之能插入图像工具中()。

发射显微镜和激光扫描显微镜（LSM）

在摆放好固定设备后，下一个步骤就是通过测试系统接口运行DUT并进行以图像为基础的分析。“我们的图像分析工具Hamamatsu Phemos 1000场发射显微镜，其中集成了激光扫描显微镜，” McGinnis说，“场发射已经成为快速便捷地寻找不通缺陷的实用方法。当然，要扫描15层金属存在困难。但是，使用我们自己开发的固定设备，通过悬臂装配方法，我们可以进行接触检测。然后，将整个封装体翻转过来，可以看到硅片上的器件。”

这一方法不仅需要拥有高灵敏探测器的共焦显微镜，还需要合适的固定设备。“一般的场发射显微镜都使用CCD探头。但是Phemos 1000使用的却是MCT(mercury cadmium telluride)探头。虽然MCT探头分辨率要低于CCD探头，但在量子效率上要高一个数量级。更不要说光谱带宽了。”McGinnis说，“将由发射显微镜和激光扫描显微镜产生的图像叠加，可以实现各种不通类型的缺陷的隔离。至少，可以确定潜在的产品或工艺问题。”

诊断实验室使用的其它工具包括Credence Systems 公司的Emiscope III，该工具是在IBM发明的PICA技术的基础上制造的。Emiscope能获得被测试器件的时序信息。McGinnis说，Emiscope能在几分钟内得到波形，而在五年前，这需要几个小时的时间。另外，当硅片厚度薄至150nm~200nm以允许光子吸收时，通常将内置的散热器去除，这将导致散热困难。而Emiscope解决了这一问题，那就是Credence Systems 公司研制的水冷喷洒系统。这能保证被测试器件能得到冷却。

诸如Emiscope之类的工具能够显示划口的位置，但却不能探测电压。为达到这一目的，McGinnis的研究小组使用测试系统。McGinnis所采用的一种方法是将一测试台放入声绝缘的腔体中。他说，这一方法能获得与100nm大小的目标的阻抗接触而不用担心声学噪声的干扰。

当然，电阻性测试会对被测电路增加负载。为避免这一缺点，McGinnis一直在努力研制无接触测试系统。他解释说，“这里只存在极小的在范德华吸引力范围内的与电有关的引力。如果通过同步的测试机接口保持被测器件的功能，便可以检测由于该引力引起的阻尼效应。你必须使探针位于被测器件表面的某一稳定的高度，你必须能校准探针的机械阻尼以便探测此处的振动情况。然后，你将这一信号数字化并依靠同步和后处理，终你获得了需要的信号。这一信号不仅提供高分辨率的时序信息，还提供了非挥发性的峰-峰电压值。而这是以激光为基础或以场发射为基础的检测系统所不能达到的。”

通过初步的研究，McGinnis研制出了一台无接触测试系统，并能用于实际工作中。他说，“但你需要4个博士生来操作这一设备，而且是不能重复的设备。一个的问题在于同步。”

这一问题的存在促成了McGinnis同Dan Ouellette领导的小组的合作。Dan Ouellette是Suss Microtec公司无接触检测系统部门的经理。IBM提供被测试器件的样品，Suss小组提供开发NC-1的工程力量。NC-1是去年推出的无接触探测系统的商用产品（参考文献 1和2)。McGinnis说，“Dan Ouellette和他的团队已经投入了大量的时间和努力，以使系统重复易用。”他们将继续在诸如样品制备技术等问题上进行合作。

当然，的工具并非总是的。除了那台古老的HP 82000，McGinnis说他们的实验室还有一台老的Zeiss LSM。“我称之为LSM中的宾利。它确实很古老、很丑陋，但效果却不错。”他还说，Miles将继续在未来的五年提升它的性能。

对老工具进行不断的改进有助于实验室控制支出。McGinnis说：“你就不必花费数万美元去买别的设备。" 改进老的工具只是这个计划的一部分，另一个目的就是鼓励仪器供应商在一台设备上集成多个功能。“尤其是Hamamatsu 一直都是我们很好的设备供应商。" 他们主动地在一台设备上集成了场发射显微镜和激光扫描显微镜。

基于现有的工具，McGinnis 领导的小组从哪开始他们的计划呢？“实际上，大多数情况下，在线测试数据或晶圆终测试数据给了我们一个很好的想法，因为我们清楚整个过程。但我们并不能永远正确的得到这些数据。但是对重要的部分，如果我知道有门级泄漏电流，但不清楚短路机制，使用场发射显微镜就可以帮助我们找到泄漏电路，成功率高达百分之七十。如果从参数扫描知道有一个死短路，那么用电阻变化产生光束是的寻找故障的方法。比如非接触探测系统就是设计边缘的常用的工具，而初始数据会准确地告诉我们使用什么样的工具。”

展望图像诊断的未来，光谱测定已使我们看到了SOI 技术的希望。McGinnis说，很多研究人员发现它们可以测量发射波长，并且他们已经了解了很多晶体管级发生的事情，比如，晶体管是否饱和或者接近崩溃。“不幸的是，一般来说微电子发展的速度要比检测仪器的开发速度快，所以这就像一个追赶游戏。到图像检测工具完美的时候，这些测试仪器只能使用于90nm工艺，而此时工艺已经发展到了45nm。”

然而，McGinnis 仍然准备去适应这一现象。“我努力和刚进入这一行业的同行分享我职业生涯中学到的一个教训，就是你不能吃老本。在我们这个行业里，你5年前学到的东西就不适用于你现在的工作，你必须不断地学习。我们在Watson 研究中心、Fishkill、Poughkeepsie、 Burlington、 Austin和 Rochester 等地的科学家们总是有新的想法，并且他们总能想到新的方法去测试他们遇到的问题。所以这是一个非常有趣的工作，并且总有新事情出现。”

参考文献：

1．"Noncontact Probe System Targets 65-nm Technology," Test Industry News, Test & Measurement World, July 18, 2005.
2．Nelson, Rick, "Failure analysis gains electrical, microscopy tools," Test & Measurement World, September 2005.