半導體器件的加工工藝及測試分析

半導體器件的加工工藝及測試分析

半導器包括電極、銅管、現場處理管道等。各種半導體器件呈現出不同的伏安特性曲線,使其在電路中起著不同的作用,如二極管呈現出單向導通的特性。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體基片上,這就構成了集成電路[1~3]。上世紀60年代集成電路的出現,70年代的個人電腦的產生,90年代的國際網絡的互聯,歷時半個世紀的發(fā)展,這場由半導體帶來的科技革命深深地影響著現代人們的生活,從某種息義上講,已改變并決定了人類的命運。現在無數的電子和通信行業(yè)在高速地發(fā)展;世界上高新科技產業(yè),特別是集成電路、計算機、激光、光纖、機器人、醫(yī)療設備和消費電子等產業(yè)都是在這場偉大革命的推動下而產生的,它們真正領導著社會歷史的發(fā)展潮流[2~3]。雖然集成電路技術標志著一個國家的科技水平,但是在高壓、大電流、大功率和高頻等領域中,半導體分立器件仍起著集成電路無法替代的作用,仍是半導體器件中的重要組成部分。基于此,本文進行“半導體分立器件的工藝及測試分析”,旨在通過對半導體器件工藝和測試相關主題的分析,來為該方面的研究積累一些實踐經驗。1晶圓級封裝工藝半導體器件在現代科技發(fā)展中運用極其廣泛,在大規(guī)模自動化生產中必須遵循一套相當嚴格的生產工藝。半導體器件及其組成的集成電路的生產工藝流程大致都分成以下四個步驟:晶圓處理工序、晶圓針測工序、封裝工序、測試工序。其中晶圓處理和晶圓針測工序稱為前段工序,而封裝工序、測試工序稱為后段工序[4~5],其實現過程的分析如下:(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、邏輯開關等),其處理程序通常與產品種類以及所使用的技術有關,基本步驟是先將晶圓適當清洗,再在其表面進行氧化及化學氣相沉積,然后進行涂膜、曝光、顯影、蝕刻、離子植入、金屬濺鍍等,并根據需要反復進行若干次,最終在晶圓上實現一層或數層電路。(2)晶圓針測工序。每一個電路形成一個小格,即晶粒。通常一個晶圓上可形成多達幾百甚至幾千個晶粒,為便于測試,提高效率,同一片晶圓上制作同一品種、規(guī)格的產品;但也可根據需要制作幾種不同品種、規(guī)格的產品。在用針測儀對每個晶粒檢測其電氣特性,并將不合格的況,粒標上記號后,將晶圓切開,分割成一顆顆單獨的晶粒,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。經過封裝,晶粒可以免受到機械刮傷或高溫破壞。這樣的分立器件或集成電路也才可以方便地應用于線路板上。(4)測試工序。器件測試又可分為一般測試和特殊測試,前者是將封裝后的芯片置于各種環(huán)境下測試其電氣特性,如消耗功率、運行速度、耐壓度等。經測試后的芯片,依其電氣特性劃分為不同等級。而特殊測試則是根據客戶特殊需求的技術參數,從相近參數規(guī)格、品種中拿出部分芯片,做針對性的令門測試,看是否能滿足客戶的特殊需求,以決定是否須為客戶設計專用芯片。經一般測試合格的產品還需印上規(guī)格、型號及批號等標識,包裝后即可出廠。未通過測試的器件則作為廢品。2半導器器的測試分析2.1封裝行業(yè)歷程手工作業(yè)的小批量生產只要采用通用的晶體管測試儀,這是一種實驗室儀器。而規(guī)模的自動線生產則需要相應的自動測試機。從上述工序流程可以看出,只有高速、高精度、高度可靠的專用設備才能保證器件高品質,另外對生產場地的環(huán)境也有相當嚴格的要求。20世紀90年代以前,世界超大規(guī)模集成電路生產廠家主要集中在美國、日本、西歐等少數發(fā)達國家和地區(qū),而亞洲其它地區(qū)大多只從事后道工序,即封裝業(yè)。進入上世紀九十年代以來,韓國、新加坡和臺灣省紛紛介入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)展還沒有步入一個正常的軌道。許多電子器件生產)一家仍主要從事后道工序的生產,進行大規(guī)模封裝、測試分檔等工作,最后包裝出廠銷售。隨著國內幾家年生產能力上億塊的封裝企業(yè)的建成并投入規(guī)模生產,國內集成電路封裝企業(yè)的產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業(yè)的幣要組成部分。由于發(fā)達國家已經基本放棄了分立器件的生產,這使得尚處于發(fā)展中的中國成為了分立器件生產大國。隨著計算機、通信產業(yè)的快速發(fā)展,社會生產及消費領域對電子產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,越來越多的半導體分立器件產品被應用到電子產品生產的各個領域。但也應看到我們的電子產品生產線的主要設備仍落后于先進國家,自主開發(fā)的比例還很小,同時晶體管的測試技術尤為落后[1~5]。2.2晶體結構檢測分立器件有著十分巨大的市場,這不僅體現出是對數量上的簡單需求,同時一對產品質量、品種與規(guī)格有更高的要求。因此,如何對分立器件進行高速的檢測分檔成為生產廠家的要解決的問題。能否對批量產品按照市場要求進行準確而快速的分檔,對企業(yè)來說至關重要。器件的各項性能參數往往正是客戶選擇產品的依據。半導體分立器件主要有以下幾種分類方式:按半導體材料和極性分類,按結構及制造工藝分類、按電流容量分類、按工作頻率分類、按封裝結構分類等。這往往在器件生產之前已經就有結果。而同一型號產品則是根據器件的主要參數進行分類的。而對這些分立器件的質量保證是通過性能測試實現的,雖然半導體的晶體三級管種類繁多,但其主要的測試參數一致,大致可分為:(1)電流放大系數。電流放大系數也稱電流放大信數,用來表示晶體管放大能力,根據晶體管工作狀態(tài)的不同,電流放大系數又分為直流電流放大系數和交流電流放大系數。(2)反向擊穿電壓。是指晶體管在工作時所允許施加的最高工作電壓,測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。測試機必須能夠提供出可控的高壓信號到相應的兩極。(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,集電極與基極之間在規(guī)定的測試電壓下的反向電流。Icbo對溫度較敏感,該值越小,溫度特性越好;Iceo是指基極開路時,其集電極與發(fā)射極之間在規(guī)定的測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,對性能優(yōu)異的晶體管,此參數甚難精確測出,通常只需小于某值即可。但測試機應盡量精確地檢測這種微弱電流。(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,晶體管的電流放大系數等參數將發(fā)生明顯變化,影響其正常工作,甚至還會損壞。(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。3bicmos/熔噴非織造材料的工藝發(fā)展半導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)展出兩種工藝相結合的BiCMOS工藝。用雙極工藝可以制造出速度高、驅動能力強、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的CMOS器件,其缺點是速度低、驅動能力差,在既要求高集成度又要求高速的領域內也無能為力。BiCMOS工藝是把雙極型器件和CMOS器件同時制作在同一個芯片上,這樣就綜合了雙極型器件高跨導、強負載驅動能力和CMOS器件高集成度、低功耗的特點,使其互相取長補短,發(fā)揮各自的優(yōu)點,給高速、高集成度、高性能的半導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;另一類是以標準雙極型工藝為基礎的BiCMOS工藝。當然,以CMOS工藝為基礎的BiCMOS工藝對保證其中的CMOS器件的性能有一利,而以雙極型工藝為基礎的BiCMOS工藝生產的電路中雙極型器件的性能較好。向小尺寸發(fā)展、采用多層金屬結構使功率器件的導通電阻降低、電流密度和效率提高,使CMOS電路的集成度提高,同時削弱了將電路各單元集成在一起時溫度、壓力、擴散與電勢梯度帶來的負而面影響。與此同時,BCD工藝(Bipolar-CMOS-DMOStechnology)的出現使其向模塊化、靈活化發(fā)展,其基本工序標準化而混合工藝則由這些基本工序組合而成。當今BCD工藝中的CMOS與純CMOS完全兼容,現有圖形單元庫可以直接被混合工藝電路調用。BCD工藝的發(fā)展使許多復雜的功能