晶圆允收测试 (WAT)概述

序言

晶圆允收测试（WAT），也称之为半导体参数测试（Parametric Test）, 电测试(E-Test)，或工艺控制监控（Process Control Monitor，PCM）。它是半导体制造的基石，可确保晶圆实现最高的质量、可靠性和性能标准。通过在晶圆上（通常在划片线上）设计专门的测试结构，WAT能够优化制造过程的质量控制，帮助晶圆厂提升良率、降低成本，并加速尖端技术的市场化进程。随着半导体行业的持续发展，WAT在新工艺研发、工艺监控与生产维护、新产品导入、可靠性工程等方面发挥着关键作用。

01 晶圆允收测试（WAT）概述

晶圆允收测试（WAT）技术作为半导体制造过程控制的关键组成部分，其发展历程可追溯至1978年。作为行业先驱，台积电（TSMC）率先在该领域取得突破性进展，成功申请了"自动晶圆验收测试方法"专利。随着半导体制造工艺的不断演进，TSMC于1997年进一步获得"集成缺陷良率管理与查询系统"专利，标志着WAT技术在半导体制造过程控制中的应用进入新的发展阶段。

1.1 典型关键参数和测试结构

WAT（晶圆允收测试）的标准化实施方法是在晶圆上嵌入特殊测试结构，进行非破坏性测量。WAT测试主要针对晶圆的特定测试结构（Test Structure）中的器件，测量和获取它们的电性能与物理参数，以确保晶圆符合设计规格和工艺要求。测试结构有时也称之为测试键（Test Key），测试单元组（Test Element Group，TEG）等。测试结构中典型的待测器件包括：

电阻 / 电阻器:

用于测量薄膜电阻和接触电阻。

电容 / 电容器:

旨在评估电容和介电完整性。

二极管 / PN结:

用于评估PN结的特性和漏电流。

晶体管 / MOSFET:

提供关于关键晶体管参数的数据，例如 Ids 电流、阈值电压和栅氧完整性。

视工艺研发或规模量产等的不同阶段，测试结构和待测器件数量在晶圆上会有不同。比如在TD研发时，晶圆上每个Reticle内往往布满测试结构；而在量产时，测试结构被设计在产品Die之间的划片线位置，并均匀发布在不同位置（如中心和左右上下5个点），以助于识别制造过程中的空间变化。

Reticle上每个Die都布满WAT测试结构

WAT测试结构分布在Die和Die之间的划线道上

WAT测试结构中的待测器件示意图

1.2 WAT局部差异和全局差异

WAT 数据必须区分局部差异（Local Variations ）和全局差异（Global Variations）。通过分析这些差异，制造商可以找出缺陷的根本原因，并评估它们是否仅限于特定地区，或是否表明系统性问题。这种区分对于实施有针对性的过程优化和保持整个生产线的一致性至关重要。

*局部差异

局部变化是指在单个晶圆或小区域内的差异。这些差异可能源于光刻或蚀刻的不一致性。局部差异在先进技术中尤为关键，因为即使是微小的偏差也会对设备性能产生重大影响。

*全局差异

全局差异指的是晶圆与晶圆之间或批次与批次之间的数据差异。这些差异可以识别设备漂移或工艺不稳定性。

02 WAT重要性

作为半导体制造过程控制的核心工具之一，WAT测试始终保持着其不可替代的重要地位，在确保芯片良率和提升制程稳定性方面发挥着关键作用。

WAT测试能够获取数据来监控和验证制造过程的稳定性，成为过程控制监测（PCM）体系中的重要一环，为生产质量的提升提供支持。WAT数据由晶圆制造厂（FAB）在制造过程结束时生成，作为对晶圆的初始测量，旨在确认其在制造过程中的结构完整性。由于数据量有限，评估和分析PCM具有挑战性，但WAT数据却是预测后续工艺可能出现问题或故障的重要工具。因此，WAT不仅是生产中的PCM工具，也是工程师在新产品开发过程中最重要的工具之一，广泛的工程WAT测试结构有助于识别影响产量和操作效率低下的故障和问题。

通常情况下，Fabless（无晶圆厂客户）能够获取每个出厂晶圆的生产WAT数据，这对于确保半导体制造工艺的一致性至关重要，旨在避免因良品率低下而导致重大收益的损失。

标有WAT待测器件位置的晶圆图

03 WAT测试手段

3.1 WAT测试机

WAT测试需要使用各种不同测试资源，进行电流与电压（IV）和电容与电压（CV）等方面的测量。这些测试资源或者仪器通常包括源/测量单元（SMU）、精密数字电压表（DMM）、脉冲发生器（PGU）和电容表（LCR）等。所有的测试资源将通过一个开关矩阵 (低压低漏电开关矩阵，或者针对功率半导体的高压开关矩阵) 连接到晶圆上每个测试结构的测试点，使用探针卡与探针进行接触，完成对待测器件（MOSFET，电阻，电容等）的电测试。上述测试资源与仪器，由WAT测试系统软件进行管理和控制，结合测试头、结构件等部件，共同构成了完整的WAT测试系统。

下图是联讯高压WAT测试系统的示意图：

WAT测试机示意图

3.2 WAT测试挑战

首先是低电流测量，由于电缆绝缘的电容效应，需要更长的稳定时间。特别是在测试过程中需要对电压进行扫描时，这种寄生电容会引发充电电流，从而影响测量精度。

其次，随着碳化硅（SiC）等宽带隙器件的广泛应用，对测试设备提出了新的要求，包括需要高压SMU，高压开关矩阵等新型测试资源。

最后，先进工艺将需要新型的测试结构，如阵列测试（Array Test），以布置数量众多的待测器件来获取各种参数数据，深入获知Intra-Reticle的局部差异。由于传统的串行WAT测试机架构陈旧、测试效率低下等缺点，已无法满足Array Test的需求。行业势必需要新型测试方法以及高效率的并行WAT测试机。