WAT是英文 Wafer Acceptance Test 的缩写,意思是晶圆接受测试,业界也称WAT 为工艺控制监测(Process Control Monitor,PCM)。WAT 是在晶圆产品流片结束之后和品质检验之前,测量特定测试结构的电性参数。WAT的目的是通过测试晶圆上特定测试结构的电性参数,检测每片晶圆产品的工艺情况,评估半导体制造过程的质量和稳定性,判断晶圆产品是否符合该工艺技术平台的电性规格要求。WAT数据可以作为晶圆产品交货的质量凭证,另外 WAT数据还可以反映生产线的实际生产情况,通过收集和分析 WAT 数据可以监测生产线的情况,也可以判断生产线变化的趋势,对可能发生的情况进行预警。
晶圆上用于收集 WAT数据的测试结构称 WAT 测试结构(WAT testkey)。WAT测试结构并不是设计在实际产品芯片内部的,因为设计在芯片内部要占用额外的芯片面积,而额外的芯片面积会增加芯片的成本,芯片代工厂仅仅把WAT测试结构设计在晶圆上芯片(die)之间的划片槽(Seribe Line)。划片槽的宽度可以从最小的60μm做到150μm,芯片代工厂依据芯片切割机器(Die Saw)的精度要求制定划片槽的宽度设计要求,力求做到最小宽度及最小面积。图5-1所示划片槽中的WAT测试结构,图5-1a 是整块晶圆产品上的芯片,每一个小格子代表一颗芯片;图5-1b是放大后的图形,可以看到芯片间的划片槽;图5-1c是显微镜下的芯片划片槽,白色的方块区域是顶层金属窗口,通常称为封装金属窗口(Bonding PAD),WAT测试结构在PAD与PAD之间,很多不同的测试结构组成一组测试模组,芯片代工厂会给每组测试模组定义一个名称,每一片晶圆会包含很多这样的不同的 WAT测试模组。
WAT 测试结构通常包含该工艺技术平台所有的有源器件、无源器件和特定的隔离结构。例如,有源器件包括MOS 晶体管、寄生MOS 晶体管、二极管和双极型晶体管等,但是在标准的CMOS 工艺技术中,仅仅把 MOS 晶体管和寄生 MOS 晶体管作为必要的WAT测试结构,而二极管和双极型晶体管是非必要的WAT测试结构。无源器件包括方块电阻、通孔接触电阻、金属导线电阻和电容等。隔离结构包括有源区(AA)之间的隔离,多晶硅之间的隔离和金属之间的隔离。WAT 参数是指有源器件、无源器件和隔离结构的电学特性参数。
WAT测试是非常重要的,因为这是晶圆产品出货前第一次经过一套完整的电学特性测试流程,通过 WAT数据来检验晶圆产品是否符合该工艺技术平台的电性规格要求,以及工艺制造过程是否存在异常。
WAT数据有很多方面的用途,把它归纳为以下七大类:
第一,WAT 数据可以作为晶圆产品出货的判断依据,对晶圆产品进行质量检验。所有的WAT数据必须符合电性规格要求,否则不允许出货给客户。
第二,对WAT数据进行数理统计分析。通过收集 WAT数据,获取工艺技术平台生产线的工艺信息,检测各个 WAT参数的波动问题,评估工艺的变化的趋势(如最近一段时间某一技术平台 MOS 晶体管 Vt的数值按生产时间排列是否有逐渐变大或者变小趋势),从而可以对工艺生产线进行预警,还可以通过分析特定的 WAT参数的数据得知相关工艺步骤的工艺稳定性。
第三,通过特定的 WAT 测试结构监测客户特别要求的器件结构,检测它们是否符合电性规格要求。
第四,通过 WAT 数据对客户反馈回来的异常晶圆产品进行分析。对 WAT数据与良率(CP)做相关性,可以得到每个 WAT参数与CP 的相关性,再检查相关性最强的WAT参数的相关工艺情况,这样可以快速找出有问题的相关工艺步骤。
第五,代工厂内部随机审查晶圆的可靠性测试(金属互连线电迁移和栅氧化层的寿命等)。
第六,为器件工艺建模提供数据,通过测试不同尺寸器件的 WAT 参数数据,进行器件建模。
第七,测试和分析特定的WAT测试结构,改善工艺,或者开发下一代工艺技术平台。