Halbleitertechnologie von A bis Z

Nach Abschluss aller Front-End-Prozessschritte liegt auf dem Wafer eine Vielzahl fertiger, aber noch unvereinzelter Dies vor. Bevor der Wafer zersägt wird, wird jeder einzelne Die noch auf dem Wafer elektrisch getestet – man spricht vom Wafer-Test oder Probe Test.

Der Test dient zwei Zwecken: Zum einen werden defekte Dies identifiziert, damit sie im nachfolgenden Montageprozess nicht unnötig weiterverarbeitet werden. Zum anderen liefert der Test bereits erste Daten zur elektrischen Charakterisierung der Schaltung, etwa Schwellspannungen oder Leckströme, die zur Prozesskontrolle genutzt werden können.

Ein Testsystem besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten:

• Wafer-Prober: ein Präzisionsgerät, das den Wafer exakt positioniert und Die für Die unter die Prüfnadeln bewegt
• Probe Card: die eigentliche Kontaktierungseinheit mit feinen Nadeln, die auf die Kontaktpads (Pads) jedes Dies aufsetzen
• Tester: das elektronische Prüfgerät, das Testmuster erzeugt und die Antwort der Schaltung auswertet

Da moderne Chips mehrere hundert bis tausend Kontaktpads besitzen können, muss die Probe Card entsprechend viele, sehr fein positionierte Nadeln besitzen, die zuverlässig und ohne die empfindliche Chipoberfläche zu beschädigen, Kontakt herstellen.

Die Probe Card bildet die mechanische und elektrische Schnittstelle zwischen Tester und Wafer. Ältere Ausführungen nutzen freistehende Nadeln aus Wolfram oder einer Berylliumkupfer-Legierung, die radial auf einen Ring montiert sind. Bei sehr feinen Pad-Abständen (Pitch) kommen heute vermehrt MEMS-basierte Probe Cards zum Einsatz, deren Kontaktspitzen mittels lithografischer Verfahren aus Silicium oder Metall hergestellt werden – ein Verfahren, das eine deutlich höhere Positioniergenauigkeit erlaubt.

Beim Aufsetzen der Nadeln auf die Pads entsteht eine kleine, aber gewollte Kraft (Overdrive), die die native Oxidschicht auf der Padoberfläche durchbricht und so einen niederohmigen elektrischen Kontakt sicherstellt. Zu hoher Overdrive beschädigt jedoch die Pads und kann darunterliegende Schichten schädigen – die Justierung dieser Kraft ist daher ein kritischer Prozessparameter.

Um den Durchsatz zu erhöhen, werden bei modernen Testsystemen häufig mehrere Dies gleichzeitig kontaktiert (Multi-Site-Testing). Damit lassen sich mehrere Chips parallel prüfen, was die Testzeit pro Wafer erheblich verkürzt.

Das Ergebnis jedes Einzeltests wird positionsgenau in einer sogenannten Wafer-Map gespeichert – einer digitalen Karte, die für jeden Die auf dem Wafer vermerkt, ob dieser die Prüfung bestanden hat (Pass) oder nicht (Fail). Diese Karte wird als Yield-Map bezeichnet und begleitet den Wafer durch die gesamte weitere Fertigung.

Die Yield-Map hat mehrere wichtige Funktionen:

• Im nachfolgenden Dicing- und Montageprozess werden anhand der Karte nur funktionsfähige Dies weiterverarbeitet, fehlerhafte werden aussortiert
• Räumliche Muster in der Yield-Map (etwa gehäufte Ausfälle am Waferrand) liefern Hinweise auf systematische Prozessprobleme
• Bei Speicherbausteinen (DRAM, NAND-Flash) ermöglicht die Karte den gezielten Einsatz redundanter Schaltungsblöcke: enthält ein Die einzelne defekte Speicherzellen, können diese durch integrierte Reserveschaltungen (Redundanz) elektrisch ersetzt werden, wodurch der Die insgesamt doch noch nutzbar bleibt

Die durchschnittliche Ausbeute (Yield) eines Wafers – also der Anteil funktionsfähiger Dies an der Gesamtzahl – ist eine der wichtigsten Kennzahlen der Halbleiterfertigung, da sie unmittelbar die Herstellungskosten je Chip bestimmt.