晶圆验收测试（WAT，Wafer Acceptance Test），有时也称为电性晶圆分选（EWS, Electrical Wafer Sort），是半导体制造中最关键的工艺环节之一。它确保每块经处理的晶圆在进入组装、封装和最终测试前均符合电气性能标准。由于 WAT 能够在早期捕捉工艺波动，因此在良率控制、工艺调优与可靠性提升方面发挥着核心作用。
本文将提供关于晶圆验收测试的专业级全面解析，包括 WAT 的定义、测试结构、典型测量指标、常见问题以及现代晶圆厂如何利用 WAT 数据实现高精度工艺监控。
1. 何为 WAT 测试？
WAT（Wafer Acceptance Test）= 晶圆验收测试
该测试在晶圆制造完成后、切割封装前进行，通过参数分析仪 + 探针台测量片上嵌入的测试结构的电学特性。
- ・ 验证晶圆是否符合工艺规范
- ・ 早期发现工艺漂移或潜在失效
- ・ 为光刻、刻蚀、沉积、CMP、扩散等工艺提供反馈
- ・ 预测最终良率与长期可靠性
- ・ 识别晶圆级或批次级异常
晶圆级测试并非芯片功能测试——其关注点在于工艺参数是否符合规范，而非电路能否工作。
2. 晶圆级测试（WAT）的重要性
✔ 防止下游报废封装成本极高，WAT 能提前筛除失效晶圆，显著降低损失。
✔ 驱动在线工艺控制（APC）代工厂根据 WAT 数据调整光刻焦距、蚀刻速率或注入剂量。
✔ 确保器件一致性SRAM、模拟电路、射频电路等均依赖稳定的器件参数。
✔ 支持良率工程WAT 数据可用于定位良率损失模式。
✔ 可靠性预测阈值电压偏差、漏电流等参数对器件长期可靠性影响显著。
3. WAT 使用的关键设备
| 设备名称 | 描述 | 关键参数 |
|---|---|---|
| 探针台（手动/自动） | 将探针对准测试焊盘 | 平整度、卡盘类型、对准精度 |
| 参数分析仪（如 Keysight B1500A） | 输出电压/电流并测量电学参数 | 分辨率、SMU 数量、精度 |
| 探针台控制器 | 实现晶圆自动步进测试 | 定位精度、Map 功能 |
| 热 chuck / 温控系统（可选） | 进行温度相关性测试 | –40°C ~ 200°C |
WAT 测试对 测量精度和噪声控制 要求极高，尤其在先进节点（FinFET、GAAFET）中。
4. WAT 测试内容（典型测试结构）
现代晶圆上包含数千个不同的测试结构，常见类别包括：
4.1 晶体管级测试
- ・ 阈值电压 Vt
- ・ Id–Vg / Id–Vd 特性
- ・ 漏电流 Ioff
- ・ 驱动电流 Ion
4.2 金属互连与电阻相关测试
- ・ 接触电阻 Rc
- ・ 金属线电阻 Rmetal
- ・ 通孔链电阻
- ・ 薄膜片电阻 Rs
4.3 无源元件测试
- ・ 片上电阻
- ・ MIM 电容
- ・ 电感 Q 值（用于射频工艺）
4.4 介电层可靠性
- ・ 栅氧击穿（BVG）
- ・ 栅极漏电流 Igate
- ・ TDDB 测试结构
4.5 光刻、电学 CD 测试
- ・ 利用电学参数反推线宽/CD 变化
- ・ 评估光刻焦点、曝光偏移
5. WAT 测试流程（工厂标准流程）
步骤 1：加载晶圆测试图测试图必须与 PDK 匹配。
步骤 2：对准探针卡焊盘尺寸通常 60–100 µm，需要高精度接触。
步骤 3：执行测试使用参数分析仪进行电性测量。
步骤 4：数据收集数据自动上传至 MES / APC 系统。
步骤 5：统计分析（SPC）- ・ 均值
- ・ 标准差
- ・ Cp / Cpk
- ・ 趋势图
- ・ 漂移检测
- ・ 合格 → 进入切割工序
- ・ 不合格 → 暂停、返工或报废
6. WAT 中最关键的参数
6.1 阈值电压 Vt- ・ 反映器件开启特性
- ・ 对注入剂量、退火、氧化层厚度高度敏感
- ・ 用于评估掺杂均匀性
- ・ 影响高速器件性能
- ・ 可反映蚀刻、CMP、沉积异常
- ・ 栅极氧化层缺陷
- ・ PN 结缺陷
- ・ 污染问题
- ・ 金属线电阻
- ・ 通孔链通断情况
7. 常见 WAT 故障模式
| 故障模式 | 可能根本原因 | 典型症状 |
|---|---|---|
| Vt 过高 | 注入剂量不足、退火不完全 | 速度下降 |
| Rs 偏低 | 过度激活 | 变异性大 |
| 栅极漏电高 | 氧化层缺陷、污染 | Igate 过高 |
| 接触电阻高 | 通孔形成不良、CMP 残留 | IR 压降问题 |
| 金属开路或短路 | 光刻或蚀刻缺陷 | 通孔链失效 |
8. 晶圆厂如何使用 WAT 数据（高级应用）
8.1 高级工艺控制 APC
- ・ 光刻焦距/曝光补偿
- ・ 注入剂量自动调节
- ・ CMP 终点预测
8.2 良率预测模型
- ・ SRAM Vmin 预测
- ・ 模拟器件 mismatch 评估
- ・ 逻辑电路良率趋势分析
8.3 可靠性预测
- ・ TDDB（栅氧可靠性）
- ・ EM（电迁移）
- ・ HCI（热载流子）
9. WAT 与其他测试的区别
| 测试类型 | 目的 | 阶段 | 区别 |
|---|---|---|---|
| WAT | 工艺控制 | 晶圆制造后 | 测工艺参数 |
| CP（晶圆级功能测试） | 电路功能验证 | 封装前 | 测逻辑/存储器功能 |
| 最终测试 | 全面性能测试 | 封装后 | 用于分档和质量筛选 |
| 在线计量 | 几何/厚度测量 | 工艺中期 | 非电学测试 |
WAT 是连接在线计量与功能测试的关键桥梁。
结论
晶圆验收测试（WAT）是晶圆制造中最核心的电参数测试，用于保障工艺质量、降低下游损失，并为 APC、良率分析与可靠性预测提供关键数据。随着半导体工艺不断迈向先进节点，WAT 的作用将更加重要。
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