GaAs HBT 中測信號防護處理

肖宗勇，陳劍平，陳燕玲，徐智文

（福建省福聯集成電路有限公司，福建 莆田351115）

1 引 言

電性測試的目的是檢驗規格的一致性及可接受的電學性能。如果發現電性缺陷，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、環氧樹脂和固定環四個部分組成，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等[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，并根據不同的測試條件配置濾波及阻抗匹配。

針對GaAs HBT 器件發生中測誤判的情形，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。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）彼此之間會產生相互訊號干擾，進而影響測試數值，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，會出現部分晶粒電性呈現時好時壞的現象。除了屏蔽電磁干擾外，也須針對信號干擾進行處理，以得到穩定且可再現的量測結果。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，整體圖形呈環狀分層現象。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%變為98.28%，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生干擾信號而產生偏差。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（依業界目前規格選用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 都分別串聯電容與電阻。若使用并聯會導致電容和電阻值變小，從而產生波擾。串聯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，就會出現超過規格的狀況。表2 是探針卡電路匹配后同器件中測的數值，所有測試項均在規格之內。

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，其中淺色與深色區域的分層現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定，導致信號波動，使器件電性反饋不穩定。亮色區域是探針卡存在著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據進行對比。圖9 是針對同一晶粒，在2.5V～2.85V 區間內進行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值與手動探針臺的數值相符。

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格上下限的區間之內。從電流值的高斯分布可得知中測結果屬于集中或發散，可間接反映工藝穩定性，以及多數晶粒是否滿足規格要求。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象，可作為中測結果是否可靠的參考依據，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據。故若要防止量測時的干擾與振蕩的情況發生，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 芯片在中測時產生異常現象的研究，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量，并滿足更高頻的器件量測，其設計細節和存在的問題還有待在后續研究中進一步摸索。