集成电路晶圆测试基础.ppt

引言 集成电路按生产过程分类可归纳为前道测试和后到测试 集成电路测试技术员必须了解并熟悉测试对象 硅晶圆 测试技术员应该了解硅片的几何尺寸形状 加工工艺流程 主要质量指标和基本检测方法 硅片的制备与检测 硅是一种比较活泼的非金属元素 是晶体材料的重要组成部分 处于新材料发展的前沿 其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电 供热等 由于太阳能具有清洁 环保 方便等诸多优势 在地壳中含量达27 的硅元素 为单晶硅的生产提供了取之不尽的源泉 非晶硅是一种直接能带半导体 也就是没有和周围的硅原子成键的电子 这些电子在电场作用下就可以产生电流 因而非晶硅可以做得很薄 还有制作成本低的优点 2 1 1硅片制备与检测 1 几何尺寸形状硅片的几何形状为圆形薄片 圆硅片边缘有定位边 或称 参考面 短的次定位边 次参考面 2 1 1硅片制备与检测 通常 硅片的边缘会有倒角 不同直径的硅片有不同宽度的倒角 硅片很硬脆 在晶圆制造过程中 硅片边缘易破裂 会造成应力 产生碎屑 所以硅片必须倒角 2 1 1硅片制备与检测 2 加工工艺流程硅片制备的加工工艺流程为 首先 把硅单晶棒进行整形处理 要去除两端 滚圆研磨到标准直径 定位面研磨 去除单晶表面损伤层 其次 以定位面为基准面进行切片 并做倒角 磨片 然后对硅片腐蚀 以去除硅片表面损伤层 确保硅片具有高平整度和平行度的光滑表面 再对硅片抛光 最后 把放有合格硅片的片架放入冲氮的密封传送盒之前 需对硅片进行超净态的清洗和质量校验 2 1 1硅片制备与检测 3 基本检测项目硅片的主要质量要求如表 2 1 1硅片制备与检测 4 基本检测方法通常 检测硅片缺陷的方法是先对硅片进行选择性的化学 电化学腐蚀 再利用光学显微镜观察其表面微结构和缺陷 做缺陷性质判断和计数评估 这是一种常用的快速 低成本检测单晶硅片缺陷的方法 根据物体导电能力 电阻率 的不同 划分为导体 绝缘体和半导体 半导体的电阻率为10 3 109 cm 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 半导体的特点 1 导电能力不同于导体 绝缘体 2 受外界光和热刺激时电导率发生很大变化 光敏元件 热敏元件 3 掺进微量杂质 导电能力显著增加 半导体 半导体的基本知识 2 1 2半导体材料与特性 概述Ge 只用于某些特殊器件和光电探测器 半导体级的纯锗成本比纯硅高10倍 Si一直是半导体工业和集成电路的主材料 其不可替代性在于地球上Si元素及其丰富 占地壳27 仅次于氧 2 1 2半导体材料与特性 硅的基本特性硅有若干特性 硅的导电性可以由掺杂来控制 常温下导电性主要由杂志来决定 半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素 在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子 它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键 原子按一定规律整齐排列 形成晶体点阵后 结构图为 本征半导体 空穴及其导电作用 本征半导体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 载流子 可以自由移动的带电粒子 电导率 与材料单位体积中所含载流子数有关 载流子浓度越高 电导率越高 电子空穴对 当T 0K和无外界激发时 导体中没有栽流子 不导电 当温度升高或受到光的照射时 价电子能量增高 有的价电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由电子 本证激发 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 这个空位为空穴 自由电子 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的 称为电子空穴对 本征激发 动画1 1 空穴 返回 杂质半导体 N型半导体 电子型半导体 在本征半导体中掺入五价的元素 磷 砷 锑 多余电子 成为自由电子 自由电子 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质 可使半导体的导电性发生显著变化 掺入的杂质主要是三价或五价元素 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体 返回 P型半导体 空穴型半导体 在本征半导体中掺入三价的元素 硼 返回 N型半导体的多数载流子为电子 少数载流子是空穴 P型半导体的多数载流子为空穴 少数载流子是电子 例 纯净硅晶体中硅原子数为1022 cm3数量级 在室稳下 载流子浓度为ni pi 1010数量级 掺入百万分之一的杂质 1 10 6 即杂质浓度为1022 1 106 1016数量级 则掺杂后载流子浓度为1016 1010 约为1016数量级 比掺杂前载流子增加106 即一百万倍 PN结的形成及特性 PN结的单向导电性 PN结的形成 PN结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质 分别形成N型半导体和P型半导体 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 动画 五价的元素 三价的元素 产生多余电子 产生多余空穴 PN结的单向导电性 1 PN结加正向电压 外加的正向电压 方向与PN结内电场方向相反 削弱了内电场 于是 内电场对多子扩散运动的阻碍减弱 扩散电流加大 扩散电流远大于漂移电流 可忽略漂移电流的影响 PN结呈现低阻性 P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 动画 外加反向电压 方向与PN结内电场方向相同 加强了内电场 内电场对多子扩散运动的阻碍增强 扩散电流大大减小 此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流 可忽略扩散电流 PN结呈现高阻性 P区的电位低于N区的电位 称为加反向电压 简称反偏 动画 2 PN结加反向电压 二极管按结构分有点接触型 面接触型二大类 1 点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于大电流整流电路 半导体二极管的结构 2 2晶圆 通过芯片制造工艺 在圆硅片上已经形成了芯片阵列的硅圆片 被称为 晶圆 晶圆 有别于硅片 通常把还没有经过芯片制造工艺的原始圆硅片简称为 硅片 2 2 1晶圆的表形构成 1 硅衬底是制作集成电路芯片的衬底材料 他可以是P型或N型的原始抛光硅片 也可以是经过外延工艺的硅片 依据集成电路的结构形式和制造工艺选定 2 2 1晶圆的表形构成 硅衬底是制作集成电路芯片的衬底材料 它可以是P型或N型的原始抛光硅片 也可以是经过外延工艺的硅片 依据集成电路的结构形式和制造工艺选定 2 2 1晶圆的表形构成 2 芯片集成电路的核心是功能电路芯片 为进行大规模量产 降低集成电路成本 晶圆上的芯片数会很多 芯片上的内容很多 其主体是集成电路功能电路 集成的功能不外乎是晶体三极管 二极管 电阻和电容 用金属薄膜导线规则把他们连接起来 2 2 1晶圆的表形构成 2 2 1晶圆的表形构成 3 辅助测试结构集成电路的辅助测试结构是对集成电路功能和参数测试的补充 在进入大规模集成电路阶段后 更显得必要性和重要性 集成电路测试结构是为了提取集成电路的各种参数而专门设计的 大致可以分为芯片制造过程的工艺监控参数 过程质量控制参数 电路设计模型参数和可靠性参数的提取 2 2 1晶圆的表形构成 微电子测试结构图 微电子测试结构图是指一种用于微电子器件生产中 有别于芯片上所集成的核心功能电路的特种图形结构 微电子测试结构图组可用于评价晶圆片级集成电路的材料 掺杂和刻蚀的均匀性 工艺装备的完好性 工艺 结构与器件参数的一致性及工艺的稳定性 微电子测试结构图 1 工艺监控参数 1 在工艺参数的监测中 最典型的微电子测试结构是范德堡 VDP 测试结构 它主要用于测量各种掺杂区域的薄层电阻 其测试结构有圆形VDP 圆形栅极VDP 偏移方形十字 大希腊十字形 小希腊十字形和正十字形六种 其中 正十字形VDP测试结构经常被使用 2 3 2微电子测试结构图 微电子测试结构图 2 金属 半导体接触电阻测试结构 随着电路结构尺寸越来越小 IC特征尺寸按比例因子K减小 引线孔的面积按K2的关系缩小 则金属 半导体接触电阻会以K2的速率增加 如何正确的测定金属 半导体接触电阻或接触电阻率成为了一个重要的问题 微电子测试结构图 2 电路质控参数为了产生质量好 成本低 可靠性高的集成电路 工艺过程必须处于 统计受控 的状态 在集成电路生产中普遍采用统计过程控制技术 SPC SPC利用数理统计分析理论 将微电子测试结构图组连续采集的大量工艺参数数据转换成信息 以确认 改善或纠正工艺过程特征 保证产品质量 成品率和可靠性 微电子测试结构图 3 设计模型参数利用微电子结构图组技术的期间测试结构来提取设计模型参数 建立VLSI库单元特性的一个关键 在于是否有一个可靠的 并能正确反映其工艺的器件模型参数 2 2 1晶圆的表形构成 4 焊盘传统的方法是把芯片进行封装后提供给用户使用 为此 就必须把芯片上的功能电路与外部连接 即芯片上把焊盘作为引线的压焊点 兼做测试点 2 2 2晶体管基本原理和结构 晶体管是构成集成电路的重要有源基础器件 要理解集成电路的原理和结构 就必须了解晶体管的工作原理和结构 半导体集成电路的晶体管有双极型和MOSFET型两大类 2 2 2晶体管基本原理和结构 1 PN结和二极管 2 2 2晶体管基本原理和结构 PN结具有重要的单向导电整流特性 即PN结只允许电流沿一个方向流动 正向偏置时 导电性很好 PN结电流随外加电压增大而呈指数规律快速增大 反向偏置时 导电性极差 PN结最初电流几乎为零 随着外加反向电压增大 达到某一个临界电压时 电流才迅速增加 1 正向特性 硅二极管的死区电压Vth 0 5 0 8V左右 锗二极管的死区电压Vth 0 2 0 3V左右 当0 V Vth时 正向电流为零 Vth称死区电压或开启电压 正向区分为两段 当V Vth时 开始出现正向电流 并按指数规律增长 2 2 2晶体管基本原理和结构 2 双极型晶体管双极型器件有电子和空穴两种载流子参与导电 双极型NPN是由一个NP结和一个PN结 以及两个结中间一个共享的很窄的P型区而构成的三端有源器件 BJT的开关特性 iB 0 iC 0 vO VCE VCC c e极之间近似于开路 vI 0V时 iB 0 iC 0 vO VCE 0 2V c e极之间近似于短路 vI 5V时 iC ICS 很小 约为数百欧 相当于开关闭合 可变 很大 约为数百千欧 相当于开关断开 c e间等效内阻 VCES 0 2 0 3V VCE VCC iCRc VCEO VCC 管压降 且不随iB增加而增加 ic iB iC 0 集电极电流 发射结和集电结均为正偏 发射结正偏 集电结反偏 发射结和集电结均为反偏 偏置情况 工作特点 iB iB 0 条件 饱和 放大 截止 工作状态 BJT的开关条件 0 iB 2 2 2晶体管基本原理和结构 3 MOS晶体管MOS型晶体管属于场效应晶体管 是一种电压控制的单极四端器件 场效应器件分为绝缘型 MOSFET MESFET 和结型 JFET 两种 2 2 2晶体管基本原理和结构 2 2 3集成电路的基本原理和结构 半导体集成电路有双极型集成电路和MOS集成电路两大类 单片半导体集成电路是通过许多道平面工艺 把许多有源器件 无源元件和金属薄膜导线按集成设计要求有序并规则地制作在同一块硅片 基片 上 以达到各种性能指标 并能满足特定功能条款的电路 2 2 3集成电路的基本原理和结构 集成电路的有源器件指双极型和MOS型等各类晶体管 他要用多个方程才能描述其完整特性无源元件通常指电阻 电容和电感 他们只要单个简单的方程就能描述其特性 2 2 3集成电路的基本原理和结构 任何集成电路中都有信息流和能量流 能量流是为确保集成电路正常工作的能量需求而形成的电子流 信息流是集成电路为完成其功能形成的信号流 信号流分为数字信号和模拟信号 2 2 3集成电路的基本原理和结构 模拟信号 信号波形模拟着信息的变化而变化 如图所示的信号称为模拟信号 其特点是幅度连续 连续的含义是在某一取值范围内可以取无限多个数值 2 2 3集成电路的基本原理和结构 数字信号下图是数字信号 其特点是幅值被限制在有限个数值之内 它不是连续的而是离散的 这种幅度是离散的信号称数字信号 2 2 3集成电路的基本原理和结构 1 集成电路基本原理 1 双极型集成数字逻辑电路 按其晶体管正常工作的状态分为饱和型和非饱和型 TTL是饱和型 STTL电路抗饱和 归属饱和型电路 2 2 3集成电路的基本原理和结构 TTL集成电路是由双极型晶体管为主体构成的 TTL集成电路的最基本单元电路有TTL与非门 TTL或非门 TTL反相器和TTL与或非门等 2 2 3集成电路的基本原理和结构 TTL集成电路品种较多 互换性较强 民品系列的前缀是 74 军品系列的前缀是 54 军品的制造工艺过程控制严格 适用温度也更宽 2 2 3集成电路的基本原理和结构 2 CMOS集成数字逻辑电路 NMOS和PMOS管的串联 并联和串并联组合可以构成各种基本单元逻辑电路 2 2 3集成电路的基本原理和结构 3 模拟集成运算放大器构成模拟系统的典型模拟集成电路有集成运算放大器 集成锁相环 集成滤波器 集成稳压器等 1 输入级使用高性能的差分放大电路 它必须对共模信号有很强的抑制力 而且采用双端输入双端输出的形式 4 偏置电路提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流 以稳定工作点 3 输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成 以获得正负两个极性的输出电压或电流 具体电路参阅功率放大器 2 电压放大级要提供高的电压增益 以保证运放的运算精度 中间级的电路形式多为差分电路和带有源负载的高增益放大器 运算放大器的引线 运算放大器的符号中有三个引线端 两个输入端 一个输出端 一个称为同相输入端 即该端输入信号变化的极性与输出端相同 用符号 表示 另一个称为反相输入端 即该端输入信号变化的极性与输出端相反 用符号 表示 输出端在输入端的另一侧 在符号边框内标有 号 集成放大器的符号 运算放大器外形图 运算放大器的常见参数 1 输入失调电压VIO inputoffsetvoltage 输入电压为零时 将输出电压除以电压增益 即为折算到输入端的失调电压 VIO是表征运放内部电路对称性的指标 2 输入失调电流IIO inputoffsetcurrent 在零输入时 差分输入级的差分对管基极电流之差 用于表征差分级输入电流不对称的程度 3 输入偏置电流IB inputbiascurrent 运放两个输入端偏置电流的平均值 用于衡量差分放大对管输入电流的大小 4 输入失调电压温漂 在规定工作温度范围内 输入失调电压随温度的变化量与温度变化量之比值 5 输入失调电流温漂 在规定工作温度范围内 输入失调电流随温度的变化量与温度变化量之比值 6 最大差模输入电压 maximumdifferentialmodeinputvoltage 运放两输入端能承受的最大差模输入电压 超过此电压时 差分管将出现反向击穿现象 7 最大共模输入电压 maximumcommonmodeinputvoltage 在保证运放正常工作条件下 共模输入电压的允许范围 共模电压超过此值时 输入差分对管出现饱和 放大器失去共模抑制能力 2 3晶圆测试项目 晶圆测试是在探针台上进行的 晶圆测试时 金属探针的一端接到相应的电源 地 信号源 控制和检测单元 另一端的金属探针针尖接触焊盘 一般探针与探针卡的晶圆测试可以测试直流参数 与时间无关的参数 功能和某些极限参数测试以及部分低速低频芯片的低精度交流参数 与时间有关的参数 测试 2 3 1性能参数测试项目 1 直流 DC 参数大规模集成电路的直流参数体系包括所有表征集成电路的电流和电压参数 这些参数决定于在测试状态下 对被测器件 DUT 芯片的所有输入引脚 输出引脚和电源引线等进行的稳态电气特性测试 现今大规模集成电路测试设备内部都装有 DC 子系统 DC子系统包括可编程电源DPS和高精度的精密测量单元PMU 2 3 1性能参数测试项目 2 功能集成电路的功能依照设计的要求会有千差万别 集成电路可以实现数字逻辑运算 数字和模拟信号的处理 控制 存储 发射等一系列功能 3 极限 裕量 参数集成电路的极限参数是与集成电路工作环境密切相关的 指允许变化范围的极限电学参数 4 交流参数集成电路的交流参数是与时间有关的电参数 包括上升时间和下降时间 传输过程的延迟时间 建立和保持时间 刷新和暂停时间等 2 4晶圆测试设备 晶圆测试设备是借助于探针对晶圆上芯片进行测试的设备 利用晶圆测试设备可以步进测试晶圆上器件和芯片的电学性能参数和功能 得到晶圆上芯片和微电子测试结构的统计量 2 4 1手动探针测试台 手动探针测试台具有最基本的配置 能进行手动步进测试 2 4 1手动探针测试台 1 探针卡与探针座探针很单薄 很细小 每个探针卡上可以有序组装许多探针 一块探针卡可以组装几百根 探针卡上的许多探针预先按照集成电路芯片的焊盘位置进行分布和焊接 形成固定的探针阵列 探针座安装在探针座支架上 可以自由移动和固定位置 探针座的体积比卡用探针大得多 探针座支架上可以安装的探针座是有限的 最多几十个 2 4 1手动探针测试台 1 探针卡与探针座 2 4 1手动探针测试台 2 体视显微镜体视显微镜安装在手动探针测试台的载物工作台上方 用于观察晶圆 芯片和探针 体视显微镜由双目镜 物镜 显微镜筒体 倍率调节装置和升降导轨装置等构成 2 4 1手动探针测试台 3 载物工作台载物台由X Y二维步进工作台和载物台构成 载物台上放置被测物件 即晶圆片等 载物台可以进行360度的旋转和Z方向的升降 2 4 1手动探针测试台 4 探针卡支架与探针座支架探针卡支架主要用于安装和固定探针卡 探针卡支架保证了探针卡的机械稳定性 晶圆测试时 探针阵列固定不动 晶圆做相对步进移动和升降移动 以完成对晶圆上阵列芯片的测试 2 4 1手动探针测试台 5 打墨点装置打墨点装置固定于支架上 可以在不合格的芯片表面打墨点标记 以便在晶圆划片后分离芯片时 能区分合格和不合格芯片 2 4 2自动探针测试台 自动测试探针台可以再细分为半自动和全自动两种 半自动探针测试台需要人工干预 用于自动化程度要求不高的场合 全自动测试探针台能完成自动装片 自动对准 自动步进 自动测试等 用于自动生产流水线 2 4 2自动探针测试台 用自动测试台进行晶圆测试时 首先要设定自动探针台的工作参数 如晶圆直径 X Y方向的芯片步进距离 Z方向的分离高度 Z向升降工作模式 测试方式和打点模式等 其次 把晶圆安装在晶圆承片步进台上 晶圆承片步进台进入探针测试台中心 经系统的CCD显微摄像装置扫描找准后 X Y二维步进工作台移动定位到测试探针阵列对准晶圆上芯片的位置 升降Z轴 使探针和芯片接触 2 4 2自动探针测试台 然后 探针台受启动测试信号的控制 对芯片进行测试 芯片测试过程结束 最后 打点装置受打点信号控制 按照测试结果决定是否打墨点之后 承片台下降 2 4 2自动探针测试台 1 基本构成和功用自动探针卡测试台是光机电一体化的精密设备 比手动探针卡测试台更复杂 紧密 高效 自动探针卡测试台有两种构成方式 一种是独立的整机设备 另一种是依附于集成电路自动测试设备的模块式自动探针卡测试台 2 4 2自动探针测试台 2 外围保障和辅件自动探针测试台 自动测试设备和自动分选机的外围保障有工业动力源 压缩气动源 防静电的净化室等 2 5晶圆测试操作 晶圆测试主要是利用探针卡与探针对功能芯片电路和微电子测试结构的测试