第2单元-集成电路晶圆测试基础

第二单元集成电路晶圆测试基础第二单元集成电路晶圆测试基础1.硅片2.晶圆3.晶圆测试项目4.晶圆测试设备5.晶圆测试操作1.硅片制备集成电路芯片的晶圆片，其衬底材料主要为硅片，其纯度为99.9999999%，简称“九个9”。硅片制备与检测硅材料单晶硅直拉单晶Czochralski:CZ直径大、成本低集成电路主要材料区熔单晶FloatZone:FZ纯度高、含氧量低、直径小高压功率器件多晶硅非晶硅1.硅片硅片几何尺寸圆形薄片，边缘有定位边或定位槽。1.硅片直径（mm）厚度（μm）面积（cm2）质量（g）100(4ʺ)525±2578.549.65125(5ʺ)625±25122.7217.95150(6ʺ)675±20176.7128.00200(8ʺ)725±20314.1653.08300(12ʺ)775±20706.86127.64450(18ʺ)?1.硅片加工工艺流程包装入库清洗与质量检验腐蚀与抛光倒角与磨片定位于切片整形处理硅单晶棒1.硅片基本检测项目掺杂类型掺杂浓度（个/cm3）10141014~10161016~10191019P型πP-PP+N型νN-NN+1.硅片商用硅片举例一1.硅片1.硅片1.硅片商用硅片举例二1.硅片1.硅片1.硅片基本检测方法检测项目主要方法缺陷化学/电化学腐蚀导电类型（N/P）热电、光电、整流、霍尔等效应电阻率两探针法、四探针法、C-V法、涡电流法和扩散电阻法刃型位错螺型位错1.硅片半导体材料与特性第二单元集成电路晶圆测试基础1.硅片2.晶圆3.晶圆测试项目4.晶圆测试设备5.晶圆测试操作2.晶圆晶圆基础“硅片”：未加工的原始硅圆片；“晶圆”：通过芯片制造工艺，在圆硅片上已形成芯片（晶片）阵列的硅圆片。2.晶圆芯片2.晶圆辅助测试结构为了提取集成电路的各种参数而专门设计，包括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模型参数的提取。第二单元集成电路晶圆测试基础1.硅片2.晶圆3.晶圆测试项目4.晶圆测试设备5.晶圆测试操作3.晶圆测试项目晶圆测试是在探针台上进行的。按测试方法和过程分类，可以分为加电压测电流（VFIM）、加电流测电压（IFVM）、加电压测电压（VFVM）和加电流测电流（IFIM）。3.晶圆测试项目性能参数测试项目直流（DC）参数器件/电路端口的稳态电气特性测试。例如：输入特性II=f(VI)输出特性IO=f(VO)转移特性VO=f(VI)直流参数测试包括开路测试、短路测试、输入电流测试、漏电流测试、电源电流测试、阈值电压测试等。3.晶圆测试项目•直流参数测试实例（IV曲线）3.晶圆测试项目•直流参数测试实例（WAT：WaferAcceptanceTest）3.晶圆测试项目功能功能测试在集成电路测试中最重要，包括数字逻辑运算，数字和模拟信号的处理、控制、存储、发射、接收、放大、变换、驱动、显示等。极限（裕量）参数极限参数与集成电路工作环境变化密切相关，包括电源电压的拉偏情况下的电参数、许可的极限环境温度下的电参数、最坏情况下的静态功耗和动态功耗等。交流（AC）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、访问时间和功能速度时间，易受寄生参数的影响。3.晶圆测试项目微电子测试结构图微电子测试图与电路管芯经历相同的工艺过程，通过对这些图形进行简单的电学测量（一般为直流测量）或直接用显微镜观察，就可以提取到有关生产工艺参数和单元器件或电路的电参数，成为收集微电子器件生产工艺参数信息的主要手段。为打通生产线，调试和稳定工艺与设备，进行工艺认证，也可以把微电子测试结构图组单独做成一套专用的光掩模版，然后按预先设计的要求进行流片，得到规则布满微电子测试结构图组的工艺认证晶圆片。3.晶圆测试项目3.晶圆测试项目工艺监控参数•范德堡公式（VanderPauw，1958）对于厚度为W、表面无空洞的任意形状半导体薄层材料，在其侧面随意安排四个点接触电极，按顺序记为M、N、O、P电极，如下图所示。若使电流从M点流进，N点流出，测出O和P两点之间的电压𝑈CP，记其比值为：𝑅MN,OP=𝑈CP𝐼MN3.晶圆测试项目接着依次轮换电流、电压电极，使电流从N点流进，O点流出，测出P和M两点间的电压𝑈PM，记其比值为：𝑅NO,PM=𝑈PM𝐼NO经推算，半导体材料电阻率与上述两个电阻间的关系为𝜌=π𝑊ln2𝑅MN,OP+𝑅NO,PM2𝑓𝑅MN,OP𝑅NO,PM式中：𝑓𝑅MN,OP𝑅NO,PM随𝑅MN,OP𝑅NO,PM变化，可用数值计算方法求得，称为修正系数。3.晶圆测试项目修正系数随𝑅MN,OP𝑅NO,PM的变化。如果𝑅MN,OP=𝑅NO,PM，则f=1𝜌=π𝑊ln2𝑅MN,OP+𝑅NO,PM2=π𝑊ln2𝑈𝐼式中：I—相邻两个电极之间通过的电流U—另两个电极之间测量的电压3.晶圆测试项目在用微电子测试图测量薄层方决电阻时，为了方便起见，都采用对称的图形结构和电极安排。根据方块电阻RS的定义，对厚度为W的掺杂层𝑅S=𝜌𝑊=πln2𝑈𝐼=4.532𝑈𝐼这就是方块电阻测试中所依据的范德堡公式。3.晶圆测试项目•范德堡测试图形正十字范德堡结构是应用最广泛的测试结构。3.晶圆测试项目•常用的方块电阻测试结构以典型的双极工艺为例3.晶圆测试项目延层和外延沟道层方块电阻测试结构3.晶圆测试项目埋层和隔离掺杂方块电阻测试结构3.晶圆测试项目发射区和金属层方块电阻测试结构3.晶圆测试项目测试结构版图实例3.晶圆测试项目•测试结果绘图（Wafermapping）方块电阻等值线图电阻条宽度第二单元集成电路晶圆测试基础1.硅片2.晶圆3.晶圆测试项目4.晶圆测试设备5.晶圆测试操作4.晶圆测试设备信号控制仪器+机械设备4.晶圆测试设备手动探针台4.晶圆测试设备4.晶圆测试设备4.晶圆测试设备自动探针台4.晶圆测试设备探针卡4.晶圆测试设备信号控制仪器•Keithley4200A-SCS参数分析仪•B1500A半导体器件参数分析仪•…4.晶圆测试设备器件类型应用测试CMOS晶体管Id-Vg、Id-Vd、Vth、击穿、电容、QSCV等双极晶体管Ic-Vc、二极管、Gummel曲线图、击穿、三极管、电容等分立器件Id-Vg、Id-Vd、Ic-Vc、二极管等存储器Vth、电容、耐久测试等功率器件脉冲Id-Vg、脉冲Id-Vd、击穿等纳米器件电阻、Id-Vg、Id-Vd、Ic-Vc等可靠性测试NBTI/PBTI、电荷泵、电迁移、热载子注入、恒增电流（J-Ramp）、TDDB等其它其它第二单元集成电路晶圆测试基础1.硅片2.晶圆3.晶圆测试项目4.晶圆测试设备5.晶圆测试操作5.晶圆测试操作属于实验内容（略）