半導(dǎo)體器件的加工工藝及測(cè)試分析

半導(dǎo)體器件的加工工藝及測(cè)試分析

半導(dǎo)器包括電極、銅管、現(xiàn)場(chǎng)處理管道等。各種半導(dǎo)體器件呈現(xiàn)出不同的伏安特性曲線,使其在電路中起著不同的作用,如二極管呈現(xiàn)出單向?qū)ǖ奶匦?。它們可以與電容、電阻等連接組成分立器件電路,也可以與電阻、電容等一起制作在同一塊半導(dǎo)體基片上,這就構(gòu)成了集成電路[1~3]。上世紀(jì)60年代集成電路的出現(xiàn),70年代的個(gè)人電腦的產(chǎn)生,90年代的國際網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián),歷時(shí)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,這場(chǎng)由半導(dǎo)體帶來的科技革命深深地影響著現(xiàn)代人們的生活,從某種息義上講,已改變并決定了人類的命運(yùn)?，F(xiàn)在無數(shù)的電子和通信行業(yè)在高速地發(fā)展;世界上高新科技產(chǎn)業(yè),特別是集成電路、計(jì)算機(jī)、激光、光纖、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)電子等產(chǎn)業(yè)都是在這場(chǎng)偉大革命的推動(dòng)下而產(chǎn)生的,它們真正領(lǐng)導(dǎo)著社會(huì)歷史的發(fā)展潮流[2~3]。雖然集成電路技術(shù)標(biāo)志著一個(gè)國家的科技水平,但是在高壓、大電流、大功率和高頻等領(lǐng)域中,半導(dǎo)體分立器件仍起著集成電路無法替代的作用,仍是半導(dǎo)體器件中的重要組成部分。基于此,本文進(jìn)行“半導(dǎo)體分立器件的工藝及測(cè)試分析”,旨在通過對(duì)半導(dǎo)體器件工藝和測(cè)試相關(guān)主題的分析,來為該方面的研究積累一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。1晶圓級(jí)封裝工藝半導(dǎo)體器件在現(xiàn)代科技發(fā)展中運(yùn)用極其廣泛,在大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)中必須遵循一套相當(dāng)嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝。半導(dǎo)體器件及其組成的集成電路的生產(chǎn)工藝流程大致都分成以下四個(gè)步驟:晶圓處理工序、晶圓針測(cè)工序、封裝工序、測(cè)試工序。其中晶圓處理和晶圓針測(cè)工序稱為前段工序,而封裝工序、測(cè)試工序稱為后段工序[4~5],其實(shí)現(xiàn)過程的分析如下:(1)晶圓處理工序。在晶圓上制作電路及電子元件(如晶體管、電容、邏輯開關(guān)等),其處理程序通常與產(chǎn)品種類以及所使用的技術(shù)有關(guān),基本步驟是先將晶圓適當(dāng)清洗,再在其表面進(jìn)行氧化及化學(xué)氣相沉積,然后進(jìn)行涂膜、曝光、顯影、蝕刻、離子植入、金屬濺鍍等,并根據(jù)需要反復(fù)進(jìn)行若干次,最終在晶圓上實(shí)現(xiàn)一層或數(shù)層電路。(2)晶圓針測(cè)工序。每一個(gè)電路形成一個(gè)小格,即晶粒。通常一個(gè)晶圓上可形成多達(dá)幾百甚至幾千個(gè)晶粒,為便于測(cè)試,提高效率,同一片晶圓上制作同一品種、規(guī)格的產(chǎn)品;但也可根據(jù)需要制作幾種不同品種、規(guī)格的產(chǎn)品。在用針測(cè)儀對(duì)每個(gè)晶粒檢測(cè)其電氣特性,并將不合格的況,粒標(biāo)上記號(hào)后,將晶圓切開,分割成一顆顆單獨(dú)的晶粒,再按其電氣特性分類,裝入不同的托盤中,不合格的晶粒則舍棄。(3)封裝工序。就是將單個(gè)的晶粒固定在塑膠或陶瓷芯片基座上,并把晶粒上蝕刻好的一些引接線端與基座底部伸出的插腳連接,最后塑封成形,到此才算制成了一塊集成電路芯片。經(jīng)過封裝,晶?？梢悦馐艿綑C(jī)械刮傷或高溫破壞。這樣的分立器件或集成電路也才可以方便地應(yīng)用于線路板上。(4)測(cè)試工序。器件測(cè)試又可分為一般測(cè)試和特殊測(cè)試,前者是將封裝后的芯片置于各種環(huán)境下測(cè)試其電氣特性,如消耗功率、運(yùn)行速度、耐壓度等。經(jīng)測(cè)試后的芯片,依其電氣特性劃分為不同等級(jí)。而特殊測(cè)試則是根據(jù)客戶特殊需求的技術(shù)參數(shù),從相近參數(shù)規(guī)格、品種中拿出部分芯片,做針對(duì)性的令門測(cè)試,看是否能滿足客戶的特殊需求,以決定是否須為客戶設(shè)計(jì)專用芯片。經(jīng)一般測(cè)試合格的產(chǎn)品還需印上規(guī)格、型號(hào)及批號(hào)等標(biāo)識(shí),包裝后即可出廠。未通過測(cè)試的器件則作為廢品。2半導(dǎo)器器的測(cè)試分析2.1封裝行業(yè)歷程手工作業(yè)的小批量生產(chǎn)只要采用通用的晶體管測(cè)試儀,這是一種實(shí)驗(yàn)室儀器。而規(guī)模的自動(dòng)線生產(chǎn)則需要相應(yīng)的自動(dòng)測(cè)試機(jī)。從上述工序流程可以看出,只有高速、高精度、高度可靠的專用設(shè)備才能保證器件高品質(zhì),另外對(duì)生產(chǎn)場(chǎng)地的環(huán)境也有相當(dāng)嚴(yán)格的要求。20世紀(jì)90年代以前,世界超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)廠家主要集中在美國、日本、西歐等少數(shù)發(fā)達(dá)國家和地區(qū),而亞洲其它地區(qū)大多只從事后道工序,即封裝業(yè)。進(jìn)入上世紀(jì)九十年代以來,韓國、新加坡和臺(tái)灣省紛紛介入IC前道工序,大規(guī)模投資于難度較高的IC制造業(yè)。在大陸地區(qū),由于起步較晚,使得IC的發(fā)展還沒有步入一個(gè)正常的軌道。許多電子器件生產(chǎn))一家仍主要從事后道工序的生產(chǎn),進(jìn)行大規(guī)模封裝、測(cè)試分檔等工作,最后包裝出廠銷售。隨著國內(nèi)幾家年生產(chǎn)能力上億塊的封裝企業(yè)的建成并投入規(guī)模生產(chǎn),國內(nèi)集成電路封裝企業(yè)的產(chǎn)量和銷售額均大幅度增長,封裝業(yè)已成為我國集成電路產(chǎn)業(yè)的幣要組成部分。由于發(fā)達(dá)國家已經(jīng)基本放棄了分立器件的生產(chǎn),這使得尚處于發(fā)展中的中國成為了分立器件生產(chǎn)大國。隨著計(jì)算機(jī)、通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,社會(huì)生產(chǎn)及消費(fèi)領(lǐng)域?qū)﹄娮赢a(chǎn)品的需求更有了極大的提高。伴隨著電子行業(yè)的蓬勃發(fā)展,越來越多的半導(dǎo)體分立器件產(chǎn)品被應(yīng)用到電子產(chǎn)品生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。但也應(yīng)看到我們的電子產(chǎn)品生產(chǎn)線的主要設(shè)備仍落后于先進(jìn)國家,自主開發(fā)的比例還很小,同時(shí)晶體管的測(cè)試技術(shù)尤為落后[1~5]。2.2晶體結(jié)構(gòu)檢測(cè)分立器件有著十分巨大的市場(chǎng),這不僅體現(xiàn)出是對(duì)數(shù)量上的簡單需求,同時(shí)一對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、品種與規(guī)格有更高的要求。因此,如何對(duì)分立器件進(jìn)行高速的檢測(cè)分檔成為生產(chǎn)廠家的要解決的問題。能否對(duì)批量產(chǎn)品按照市場(chǎng)要求進(jìn)行準(zhǔn)確而快速的分檔,對(duì)企業(yè)來說至關(guān)重要。器件的各項(xiàng)性能參數(shù)往往正是客戶選擇產(chǎn)品的依據(jù)。半導(dǎo)體分立器件主要有以下幾種分類方式:按半導(dǎo)體材料和極性分類,按結(jié)構(gòu)及制造工藝分類、按電流容量分類、按工作頻率分類、按封裝結(jié)構(gòu)分類等。這往往在器件生產(chǎn)之前已經(jīng)就有結(jié)果。而同一型號(hào)產(chǎn)品則是根據(jù)器件的主要參數(shù)進(jìn)行分類的。而對(duì)這些分立器件的質(zhì)量保證是通過性能測(cè)試實(shí)現(xiàn)的,雖然半導(dǎo)體的晶體三級(jí)管種類繁多,但其主要的測(cè)試參數(shù)一致,大致可分為:(1)電流放大系數(shù)。電流放大系數(shù)也稱電流放大信數(shù),用來表示晶體管放大能力,根據(jù)晶體管工作狀態(tài)的不同,電流放大系數(shù)又分為直流電流放大系數(shù)和交流電流放大系數(shù)。(2)反向擊穿電壓。是指晶體管在工作時(shí)所允許施加的最高工作電壓,測(cè)試電壓加在三極管的任意兩極上,而另一極開路(懸空),即有三種反向擊穿電壓,它們分別是:集電極一發(fā)射極,集電極一基極和發(fā)射極一基極,典型值為幾十伏。測(cè)試機(jī)必須能夠提供出可控的高壓信號(hào)到相應(yīng)的兩極。(3)反向漏電流(或反向截止電流)。有Icbo和Iceo,其中Icbo是指發(fā)射極開路時(shí),集電極與基極之間在規(guī)定的測(cè)試電壓下的反向電流。Icbo對(duì)溫度較敏感,該值越小,溫度特性越好;Iceo是指基極開路時(shí),其集電極與發(fā)射極之間在規(guī)定的測(cè)試電壓下的反向漏電電流,也稱穿透電流。此電流值越小,說明況,體管的性能越好。Icbo和Iceo通常為nA~mA級(jí),對(duì)性能優(yōu)異的晶體管,此參數(shù)甚難精確測(cè)出,通常只需小于某值即可。但測(cè)試機(jī)應(yīng)盡量精確地檢測(cè)這種微弱電流。(4)集電極最大電流(ICM)。集電極允許通過的最大電流。集電極電流Ic超過ICM時(shí),晶體管的電流放大系數(shù)等參數(shù)將發(fā)生明顯變化,影響其正常工作,甚至還會(huì)損壞。(5)飽和壓降。包括集電極一發(fā)射極之間的飽和壓降(VceSAT)和基極—發(fā)射極之間的飽和壓降(VbeSAT)。(6)截止電流。發(fā)射極一基極截止電流(IEB),一般要求小于某值,例如5mA電流。其他如耗散功率(PCM)、頻率特性(fT,fM)等也是非常幣要的參考與衡量指標(biāo)。3bicmos/熔噴非織造材料的工藝發(fā)展半導(dǎo)體器件及其集成電路制造所采用的兩種基本工藝為雙極型和MOS型,后來為了兼顧速度和功耗,目前已發(fā)展出兩種工藝相結(jié)合的BiCMOS工藝。用雙極工藝可以制造出速度高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、模擬精度高的器件,但雙極型器件在功耗和集成度方而無法滿足規(guī)模越來越大的系統(tǒng)集成的要求;而CMOS工藝可以制造出功耗低、集成度高和抗干擾能力強(qiáng)的CMOS器件,其缺點(diǎn)是速度低、驅(qū)動(dòng)能力差,在既要求高集成度又要求高速的領(lǐng)域內(nèi)也無能為力。BiCMOS工藝是把雙極型器件和CMOS器件同時(shí)制作在同一個(gè)芯片上,這樣就綜合了雙極型器件高跨導(dǎo)、強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力和CMOS器件高集成度、低功耗的特點(diǎn),使其互相取長補(bǔ)短,發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn),給高速、高集成度、高性能的半導(dǎo)體分立器件及其大規(guī)模集成電路的發(fā)展開辟了一條新的道路。目前,已開發(fā)出許多種各具特色的BiCMOS工藝,歸納起來大致可分為兩大類:一類是以CMOS工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝,其中包括P阱BiCMOS工藝和N阱BiCMOS工藝;另一類是以標(biāo)準(zhǔn)雙極型工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝。當(dāng)然,以CMOS工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝對(duì)保證其中的CMOS器件的性能有一利,而以雙極型工藝為基礎(chǔ)的BiCMOS工藝生產(chǎn)的電路中雙極型器件的性能較好。向小尺寸發(fā)展、采用多層金屬結(jié)構(gòu)使功率器件的導(dǎo)通電阻降低、電流密度和效率提高,使CMOS電路的集成度提高,同時(shí)削弱了將電路各單元集成在一起時(shí)溫度、壓力、擴(kuò)散與電勢(shì)梯度帶來的負(fù)而面影響。與此同時(shí),BCD工藝(Bipolar-CMOS-DMOStechnology)的出現(xiàn)使其向模塊化、靈活化發(fā)展,其基本工序標(biāo)準(zhǔn)化而混合工藝則由這些基本工序組合而成。當(dāng)今BCD工藝中的CMOS與純CMOS完全兼容,現(xiàn)有圖形單元庫可以直接被混合工藝電路調(diào)用。BCD工藝的發(fā)展使許多復(fù)雜的功能