集成电路晶圆测试基础

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：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4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。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4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+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4N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+5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+5P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+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴+3+3+3+3N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。10PN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≈VRCCc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≈0.2~0.3VVCE＝VCC－iCRcVCEO≈VCC管压降且不随iB增加而增加ic≈iBiC≈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iBiB≈0条件饱和放大截止工作状态BJT的开关条件0iBCSICSI2.2.2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。