利用位置发现晶圆上的缺陷。
将晶圆上的晶片测试结果与其他晶圆上的晶片进行比较有助于识别异常值，但将这些数据与异常值的确切位置结合起来，可以更深入地了解可能出错的地方和原因。
离群点检测的主要思想是在晶圆片上找到与其他晶圆片不同的晶圆片内或晶圆片上的某些东西。使用最先进的良率和测试管理数据分析平台，在模具邻居的情况下做这件事变得更容易了，但它仍然可能变得复杂。甚至邻居的定义也会有所不同。
晶圆空间变化已被用于识别和破译成品率问题，但主要用于现场故障的事后分析。产品和质量工程师越来越多地应用这种通过/失败测试决策，特别是在安全关键型或任务关键型应用程序中，因为简单的异常值检测技术基于部分平均检验(PAT)缺乏有效平衡产量/质量/成本三角的本地化。
超越PAT的技术依赖于多次测量、对测试结果的算术运算来关注通过/失败的区别，以及地理空间关系。但是地理位置和相关的测试结果也需要额外的工程资源，因此在质量和可靠性至关重要的高级节点和应用中，成本正在上升。
“每当你在技术上做出重大转变——比如铝铜互连，以及传统的高k金属门——你就会有一套以前没有见过的新东西突然出现，”肯·巴特勒(Ken Butler)说美国效果显著．“随着每一次重大的技术变革和更小的几何图形，越来越有必要摆脱简单的统计数据，因为它们已经不再适用了。”
出于识别下游故障的动机，产品工程师在晶圆测试中寻求基于离群值的检测技术来筛选老化故障。在开发测试逃脱的屏幕时，他们自然会求助于这些异常值检测技术。这是汽车芯片制造商的标准做法，他们一直在应用离群值测试技术，而且他们经常开创新的方法。现在，其他行业部门正在采用更积极主动的方法来处理异常值检测技术。
Exensio解决方案总监Greg Prewitt表示:“虽然异常值检测可能是遏制测试逃逸的有效响应，但我们看到越来越多的客户在产品生命周期的早期将异常值检测设计到他们的测试过程中，以在许多细分市场实现更高的输出质量，而不仅仅是汽车、医疗和航空航天PDF的解决方案．
模具位置:x, y, z
使用地理空间离群点检测技术，分析发生在晶圆测试之后，因为在做出通过/失败的决定时，需要考虑一个模具及其邻近的测试结果。这需要执行额外的计算，而产量/测试数据分析解决方案支持这些计算。它可能是IDM自己的系统，也可能是IDM、代工厂或无晶圆厂公司将使用的第三方解决方案。根据具体技术的不同，定义的邻域也不同。通常这些都是有直观意义的。但在先进的CMOS工艺节点上，“邻域”的定义可能会变得复杂，这就需要对“邻域”进行更微妙的定义。
尽管业界努力在晶圆上进行统一的器件处理，但半导体制造工艺的性质产生了多个制造指标所反映的地理模式。边缘模具的成品率低于晶圆中心的模具。光刻胶的旋转产生径向区。在蚀刻过程中，在多模划线的所有模上，焦点可能会有细微的不均匀。
随着特征尺寸的减小，这些微妙的影响更容易显现，并在晶圆测试和后续制造步骤中出现在失败的模具模式中。工程师现在使用这些模式来决定设备是否通过。
图1:晶圆片上的同心圆和径向图案。来源:半导体工程/Anne Meixner
在缺陷器件的检测中，缺陷通常分为随机缺陷和系统缺陷。半导体工艺的地理性质和缺陷密度管理的增加已将重点转移到系统缺陷上，晶圆和制造工艺上的地理空间关系发挥了作用。
“一般来说，这些缺陷的来源几乎从未以真正随机的方式出现，”德克·德·弗里斯(Dirk de Vries)说Synopsys对此．“因此，制造过程存在差异，几乎所有东西都有一个空间梯度。对于层厚或线宽等参数属性来说，这是正确的。它们通常在晶圆上有一个相当平滑的梯度，这意味着一个模具的测量属性将对晶圆上它的邻居的属性具有一定程度的预测价值。你可以说，‘是的，但它们有随机缺陷，而随机没有预测价值。他说，事情没有那么简单，因为如果你看看晶圆制造缺陷，就会发现存在产生缺陷的机制。例如，它可以从晶圆边缘剥落，或在等离子体源。关键是缺陷的来源是存在的，而且它们几乎不会以真正随机的方式出现。”
地理模式可以在数据分析平台上查看，并可用于产量管理，以确定有问题的工具或工具组合。英特尔工程师的一系列工程研究(1999年至2005年)使用晶圆测试数据、x-y定位和电子芯片识别(ECID)来研究晶圆和可靠性缺陷密度之间的关系。使用ECID有助于跨多个测试步骤进行数据分析。这使他们能够在晶圆测试结果中发现不同的模式，包括批次、晶圆、x-y位置和局部区域，以及它的邻近区域，以及在老化过程后的最终测试中模具的后续行为。对于局部区域(也称为邻域)，他们观察5 x 5区域内的骰子，并计算标记为N, D, T的骰子的yield数字。
无花果。2:基于x-y位置和识别的N,D, T位置的邻域。来源:半导体工程/Anne Meixner
英特尔的工程师在分析中指出，晶圆之间的差异是批次之间差异的两倍。“可追溯性被证明是一个强大的工具，”他们指出，“可以揭示这种故障的晶圆模式特征。这对于埋藏在生产老化数据中的细微信号来说尤其如此。失效分析确定了这些子种群总是通过新的系统失效模式或缺陷分布进行区分。”
1999年观察到，这种本地化水平说明了0.25微米CMOS工艺的复杂性。随着当今先进的工艺节点，这些系统故障已经增加。
基于邻域的离群点检测算法
使用这些基于骰子与其邻居的地理空间关系的异常值检测技术，本地化变得更小。径向位置对缺陷率有影响，进而影响屈服。对于测试决策的本地化，邻域的概念占主导地位。接下来是观察z方向上的关系。
将动态PAT定位到较小的邻域，如5 x 5或7 x 7，使工程师能够检测这些系统故障模式的细微差异。通过这样做，工程师可以降低假阴性/阳性。
有两种方法来比较一个骰子和它的邻居——好的骰子死在一个坏的邻居中(GDBN)，坏的骰子死在一个好的邻居中。在过去的20年里，包括LSI Logic、英特尔和TI在内的多家公司的工程师都发表了案例研究，证明这些看似严厉的决定是正确的。
图3:根据x-y位置，好人死在坏邻居。来源:半导体工程/Anne Meixner
GDBN是直接的，如果一个骰子通过了所有测试，但它的一些邻居被标记为坏，那么好骰子现在是可疑的。它们可以被指定为异常值，然后要么在晶圆排序中失败，要么标记为其他良好的晶圆可能无法接收的额外测试。
图4:好人死在坏人身边。来源:国家仪器
好邻居的坏死是一个令人困惑的术语。从技术上讲，如果它通过了，就不是坏骰子，但它的参数不同。
“越来越多的客户试图获得更高水平的质量，所以他们正在寻找与死亡社区相关的异常值。当你观察它周围的所有骰子时，你会发现它们在参数上是相似的。yieldHUB．“但有时骰子的参数测量可能会偏离几个sigma，可能仍然在整体分布范围内。‘这里面有些地方不对，因为它给周围的所有东西都显示了不同的参数值。’”
除了在x和y方向上寻找邻域外，产品工程师还可以查看所有晶圆的特定模具位置。“还有一些方法，如ZPAT，可以在一组晶圆的z轴上进行分析。这对于发现单个模具可能总是失效或异常的面具缺陷非常有用。”Moore说。
图5:z方向多片映射叠加和故障。来源:银河半导体
口罩缺陷对产量的影响似乎很明显。参数化离群值应用是基于25个晶片的样本量进行本地化的(通常是每批25片晶片)。注意，x-y方向上的5 x 5邻域也有25个骰子来寻找离群值。基本上，你把晶圆堆叠起来然后在z方向上寻找模式。
“早在2005年，我们就在市场上推出了Z-PAT，”银河半导体首席执行官韦斯·史密斯(Wes Smith)说。“它是为一家欧洲一级汽车供应商开发的。该公司有兴趣探索传统DPAT之外的异常值技术，他们正在研究各种地理空间关系，其中包括Z-PAT。”
定义电邻居
所讨论的地理空间技术严格考虑了物理关系。然而，即使在20年前，开创这些技术的工程团队也认识到CMOS半导体制造的系统性质影响着邻域的定义。他们建议根据电气测试数据选择一个社区，而不是做一个物理社区。
来自波特兰州立大学和LSI Logic的一个工程团队在2001年国际测试会议的论文中写道:“当数据模式平稳变化时，固定的邻域选择，例如将8个模室分布在x, y位置，在实践中效果很好。”“平滑的轮廓已经被观察到很多次了。然而，也观察到阶跃模式，它们不是光滑的，而是系统的。它们在晶圆上施加了棋盘状的效果。”
无花果。6:步进图案棋盘效果。来源:半导体工程/Anne Meixner
在IDDQ测试中认识到这种模式后，团队建议使用数据驱动的方法来定义社区和要应用的限制，他们称之为位置平均。他们用IDDQ测量说明了其有效性。他们的技术还包括使用测量残差。最近邻残差(NNR)结合了地理空间关系和测试参数的算术修改。NNR本质上定义了一个基于相似值分布的邻域，而这个分布并不是原始测试测量值。
模具参数性能的另一个数据源是模具上的测量，这些也可以用来定义模具内的电邻域。这使得周边环境得以改善。
“为了使地理空间技术有效，对x-y和z方向的过程变化有很强的假设，”at测试和分析副总裁Alex Burlak说proteanTecs．“在先进的工艺节点中，芯片内部的工艺变化可能是显著的，并且在ic(邻域)或晶圆(z方向)上进一步增强，使得地理空间技术效果不佳。因此，更有效的技术是为每个芯片创建预期基线(即采取“个性化医疗”方法)，将机器学习和高级分析应用于芯片通用芯片遥测(UCT)监控器生成的参数数据。你可以把它看作是每个芯片的PAT，而不是批量、晶圆、邻里。”
结论
在过去十年中，更广泛的产品工程界采用基于晶圆位置的测试屏显著增加。第三方良率/测试管理系统的可用性有助于无晶圆厂和小型IDM使用此类技术。
“半导体行业一直强调设备质量和可靠性的重要性，”中兴通讯销售和客户解决方案总监Prasad Bachiraju说上的创新．“具有供应链集成基础设施的分析平台使晶圆厂能够根据最终测试数据执行规则和统计模具装箱。利用晶圆环境和相对于源晶圆的晶圆附近有助于检测测试逃逸，并提高芯片的整体可靠性。”
基于地理空间的离群值检测技术使工程师能够本地化游戏，“这些东西中的一个与其他东西不同”。
“你有一组性能目标，你希望所有的芯片都能达到，例如100微安的泄漏。但由于空间差异，它们并不总是能击中目标，”Advantest的巴特勒说。“所以，在测试中，你会问这样一个问题:‘它们什么时候不同，它们与附近的骰子有多大不同?我们所谈论的所有这些技术都是以晶圆位置为前提的。这就是它们如此有效的原因。”
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