1、一种精确测量 MOSFET 晶圆 导通电阻的方法 顾汉玉 1 武乾文 2 （ 1.华润赛美科微电子（深圳）有限公司，广东 深圳 518116 2.中国电子科技集团第 58 研究所，江苏 无锡 214000） 摘要： 导通电阻的准确 测量 是低导通电阻 MOS FET 晶圆 测试中的一个难点。 要实现毫欧级导通电阻的测试，必须用开尔文测试法；但实际的 MOSFET 晶圆表面只有两个电极（ G、 S），另外一个电极（ D）在圆片的背面，通常只能将开尔文的短接点接在承载圆片的吸盘边缘，无法做到真正的开尔文连接，由于吸盘接触电阻无法补偿而且变化没有 规律，导致导通电阻无法精确测量。 本文介绍 了 一种
2、 借用临近管芯实现真正开尔文测试的方法，可以实现 MOSFET晶圆 毫欧级 导通 电阻准确稳定的测 量 。 关键词： MOS 管， 导通电阻 ， 开尔文 连接 ， 自动测试设备（ ATE） ， DUT（待测器件） ,晶圆测试（ CP） ，管芯（ 单数为 DIE，复数为 Dice） 中图分类号 文献标识码： A skillful technology for Low MOSFET RDSON Testing Gu Hanyu1 Wu Qianwen2 (1. China Resources Semicon ,Shenzhen 518116 ,China 2. ) Abstract： It is
3、difficult to measure low RDSON of MOSFET exactly in wafer testing(CP). It is necessary to use Kelven connections for testing resistor whose resistance is lower than several milliohms. Actually,for MOSFET wafer,there are only 2 pads(G and S) which can be connected in Kelvin connections on the wafer s
4、urface, The third pole(D) is on the bottom of wafer, we can only connect to edge of the chuck which hold the wafer in the course of CP, we cant achieve really Kelvin connections for MOSFET wafer testing in normal way. As the connect status for wafer and chuck is unstable , the testing result is unst
5、able too. This paper presents a way to carry really Kelvin connections for MOSFET wafer testing by using a nearby DIE which is turned on.By this way, RDSON low than several milliohms can be measured exactly and stably. Keywords: MOS FET， RDSON, Kelvin connections,ATE(Auto Test Equipment),DUT(Device
6、Under Test),CP(Circuit Probing)， DIE（ Dice） 0 引言 MOSFET（ Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor） 是金属 -氧化层 -半导体场 效晶体管 的简称， 中文简称 MOS 管， 是一种 常见 的半导体功率器件。 随着 半导体 技术的不断进步， MOS 管 性能提升明显， 应用日益 广泛 。电源控制和 电源 转换是 MOS 管大量使用的一个 重要 领域，在这类应用中， MOS 管 通常 作为开关使用， 导通电阻是最为关键 的参数 之一 ，直接影响到应用电路的稳定性 ；因此， 导通电阻的
7、准确测量成为 MOS 测试的重点。 1 低导通电阻 MOS 管简介 MOS 管 按照 栅极的功能可分为 增强型 和 耗尽型， 按照沟道的材料类型可分为 P 沟道或 N沟道 ，两种组合起来就有 共 四 种类型，一般主要应用的为增强型的 NMOS管和增强型的 PMOS管 。和传统的晶体管相比， MOS 管具有开关速度快、输入阻抗高、安全工作区大、热稳定性好等优点 1 。 MOS 管的主要参数有： V (BR)DS ：漏源极击穿电压 RDS(on)： MOS 导通时漏源之间的电阻 RDS(on) ID： 漏极工作电流为 ID 时的漏源极导通电阻 ID： 最大漏极工作电流 PD：最大漏极耗散功率 半导
8、体厂家设计了多种规格的 MOS 管 满足各种不用的应用需求。漏源极击穿电压的范围从几伏到上千伏，最大漏极耗散功率从几 W 到几百 W，导通电阻从几毫欧到数百欧，设计工程师可以选择合适的型号满足设计要求。 随着半导体工艺技术的不断发展， MOS 管的性能不断提升，击穿电压越来越高，导通电阻越来越小，很多产品的导通电阻已经在毫欧的量级（我们称为低导通电阻 MOS 管），这对于产品应用非常有利，可以降低 MOS 管的功耗 ， 实现更大的工作电流，也提高了电路的转换效率。 8205 是一款广泛用在锂电池保护电路中 NMOS 管，其典型导通电阻为 20 毫欧 左右 。图 1 为 Rds(on)和 Id、
9、 Vgs 的变化关系。 表 1 典型 NMOS管 8205参数 图 1 Rds(on)、 Id、 Vgs 关系 2 MOSFET 晶圆测试 在 MOSFET 生产制造过程中，测试是保证其质量及剔除不良品的重要环节。测试通常由自动测试设备 (Automatic Test Equipment 简称 ATE)、 探针台 (PROBER)、负载板 (LOADBOARD，也叫 DUT 板 )等构成的系统来完成。典型 MOSFET 晶圆 测试系统结构如图 2 所示。 图 2 典型 MOSFET 晶圆 测试系统 ATE 是由测试 单元和 计算机组合而成的系 统，拥有各种参数测试必须的各种资源，包括PMU（精
10、密测量单元， Precision Measurement Unit）、 DPS（器件供电单元， Device Power Supplies）、高速存储器（ Pattern Memory）、向量生成器、继电器控制矩阵等。负载板(LOADBOARD)是把 ATE 资源信号转换为被测 器件 所需信号的电路模块 ， 探针台 (PROBER)的 作用是 ： 承载圆片， 通过机械装置 的周期性动作 ，依次逐个将需要测试的 管芯（简称 DIE） 通过针卡（ PROBERCARD） 连接到测试回路中，并根据 ATE 测 试的结果（ PASS/FAIL） ，将 数据记录在 MAPPING 文件中。在后续的工序中
11、，可以根据 MAPING 文件对相应的管芯用专用墨水进行标记（ 称为 打 INK），不良品会打上墨点 ， 有墨点标记的芯片在封装工序会被舍弃（目前有不少封装厂家采用 INKLESS 工艺，封装设备直接根据探针台的 MAPPING 进行封装，省去打 INK 工序）。 3 开尔文 (Kelvin)测试 对于较小电阻的测量（ 数欧以下 ）， 需要 采用开尔文测试 (或称四线测试法 )，如图 3 所示。开尔文连接有两个要求：对于每个测试点都有一条激励线 F 和一条检测线 S，二者严格分开，各自构成独立回路；同时要求 S 线必须接到一个有极高输入阻抗的测试回路上，使流过检测线 S 的电流极小，近似为零。
12、图 3 中 r 表示引线电阻和探针与测试点的接触电阻之和。由于流过测试回路的电流为零，在 r3、 r4 上的压降也为零，而激励电流 i 在 r1、 r2 上的压降不影响 i 在被测电阻上的压降，所以电压表可以准确测出 Rt 两端的电压值，从而准确测量出 R t 的阻值。测试结果和 r 无关，有效地减小了测量误差。按照作用和电位的高低，这四条线分别被称为高电位施加线（ HF）、低电位施加线（ LF）、高电位检测 线（ HS）和低电位检测线（ LS）。 IViR tH PL PL SL FH FH Sr1r2r3r4图 3 开尔文测试法 在 ATE 设计中， PMU 均采用了开尔文设计， 即 每个
13、 PMU 的 高电位端（ H）、低点位端（ L）都有 Force 和 Sense 线，图 4 是 ATE 开尔文测试电阻的标准接法 ，通过这种方式，可以准确测量毫欧级别甚至更小的电阻 。 图 4 ATE 实现开尔文测试 4 传统低导通电阻 MOSFET 晶圆测试 中的问题 图 5 是 的 MOSFET 典型的 纵向结构 ，源区（ S）、栅区（ G）通过金属连接由表面的焊盘（称为 PAD 位，晶圆测 试时作为探针卡的接触位，封装时为打线位）引出，而漏区（ D）是通过低电阻率的外延层连接到晶圆背面的金属层（ 用背面工艺制作的镀金或镀银层 ） 。 由于MOSFET 的 这种 结构限制，实际晶圆表面只
14、有 G 和 S 两个 PAD 位（参考图 6） ， G 端 和 S 端 可以同时扎 2 根探 针 ，将 FORCE、 SENSE 接到 PAD 位 ； 而 D 端在圆片的背面，由于测试时整个圆片吸附在探针台的吸盘（ Chuck）上，只能将开尔文的双线连接到吸盘的边缘，无法实现真正的开尔文连接， 等效示意图为图 7。 图中 A、 B 两点之间的电阻会影响测试的结果， 同时由于圆片背面的接触是随机变化 的， AB 间的电阻 也 是不确定的， 测试的 RDS（ on） 结果不仅偏大，而且 不稳定。 图 5 MOSFET 纵向结构 图 6 MOSFET 表面焊盘（ PAD 位） 图 7 传统 MOSF
15、ET 晶圆测试等效图 图 8 传统方法测试的 RDS(on)数据分布 图 8 是传统方法测试的 8205 RDS（ on） 1000 个 管芯 数据的分布。测试的条件是 ID 1.00A， VGS 4.5V。 RDS（ on）平均值是 30.58 毫欧， STDEV 值为 2.140。 5、改进后的测试方 案 由 MOSFET 的工作原理可知，当 VGS 大于开启电压时， MOSFET 处于导通状态，源漏（ DS）之间的电阻 变小。 在 MOSFET 晶圆上，有大量共漏极的管芯存在，只要我们开启临近辅助管芯，利用 DS 回路，就可以构建 Sense 回路， 实现真正的开尔文连接，从而实现 RD
16、S（ on）稳定 准确 的 测试 ，如 图 9 所示。图中是以 8205 为例的，电池采用 3.6V 一次性电池，开启后RDS（ on）在数十毫欧，对于高阻抗的 Sense 回路，此电阻可以忽略不计。同时因为 MOSFET是电压控制器件，栅极电流非常小，电池的使用寿命很长。 由于是 真正 的开尔文测试， 测试非常稳定，而且数据准确。图 10 是用此方法测试的 RDS（ on） 1000 个数据分布，测试条件与图 8 的相同。 RDS（ on）平均值是 18.09 毫欧， STDEV值为 0.197。与图 8 中的数据对比， RDS（ on）显著减小，同时分布较为集中。 M O S F E TA
17、 T EDGSS e n s eF o r c eF o r c eF o r c eS e n s eS e n s eCh u c kM O S F E T3 . 6 V1 0 K图 9 改进后的 MOSFET 晶圆测试等效图 图 10 补偿 法测试的 RDS(on)数据分布 测试的条件 ： ID 1.00A， VGS 4.5V。 RDS（ on）平均值是 18.09 毫欧， STDEV 值为 0.197。 为防止辅助管芯失效导致误判以及边缘管芯的误判， 可以用左右两个辅助管芯并在一起做辅助测试。 另外，在多管芯同时测试的方案中，可以直接借用临近管芯的测试探针实现开启功能，省去辅助探针。对
18、于 PMOS 管， VGS 需要变为反向电压。 6 结束语 在低导通电阻 MOSFET 晶圆 测试中，针对 传统 测试方案 无法准确测量毫欧级电阻的困难 ，本文 提出了一种辅助管芯测试的方法，从原理上实现了真正的开尔文测试 ， 对低导通电阻 MOSFET 的晶圆测试具体有重要 意义 。 参考文献 1 陆坤等，电子设计技术，电子科技大学出版社， 1997.5 2 Essentials of electronic Testing For Digital ,memory and Mixed-signal VLSI CIRCUITS, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS,Copyri
19、ght 2002,New York,Boston. 3 顾汉玉 等，低导通电阻 MOSFET 测试中的自动校验技术，微型机与应用， 2013.3 4 王水平 . MOSFET/IGBT 驱动集成电路及应用 M. 人民邮电出版社 ， 2009 5 朱正涌 . 半导体集成电路 M. 北京大学 出版社 ， 2001 6 NMOS 管 8205A 数据手册 EB/OL. http:/ 7 赵英伟，庞克俭 . Kelvin 四线连接电阻测试技术及应用 J. 测试原理， 2005(11)3-4. 8 北京华峰测控技术有限公司， ATE 应用文集 ， 2012. http:/ 作者简介： 顾汉玉，男， 1968 年生，本科，西安交通大学半导体物理与器件专业， 高级 工程师，长期从事半导体设备的升级 改造、集成电路测试 、 ATE 研制 。 联系方式： 顾汉玉 华润赛美科微电子 (深圳 )有限公司 深圳市龙岗区宝龙工业区宝龙五路 5 号 邮编： 518116 TEL： 0755-28241618 FAX： 0755-83562834 MOBILE： 13692107907 E_MAIL:
