半导体器件的加工工艺及测试分析

半导体器件的加工工艺及测试分析

半导器包括电极、铜管、现场处理管道等。各种半导体器件呈现出不同的伏安特性曲线,使其在电路中起着不同的作用,如二极管呈现出单向导通的特性。它们可以与电容、电阻等连接组成分立器件电路,也可以与电阻、电容等一起制作在同一块半导体基片上,这就构成了集成电路[1~3]。上世纪60年代集成电路的出现,70年代的个人电脑的产生,90年代的国际网络的互联,历时半个世纪的发展,这场由半导体带来的科技革命深深地影响着现代人们的生活,从某种息义上讲,已改变并决定了人类的命运。现在无数的电子和通信行业在高速地发展;世界上高新科技产业,特别是集成电路、计算机、激光、光纤、机器人、医疗设备和消费电子等产业都是在这场伟大革命的推动下而产生的,它们真正领导着社会历史的发展潮流[2~3]。虽然集成电路技术标志着一个国家的科技水平,但是在高压、大电流、大功率和高频等领域中,半导体分立器件仍起着集成电路无法替代的作用,仍是半导体器件中的重要组成部分。基于此,本文进行“半导体分立器件的工艺及测试分析”,旨在通过对半导体器件工艺和测试相关主题的分析,来为该方面的研究积累一些实践经验。1晶圆级封装工艺半导体器件在现代科技发展中运用极其广泛,在大规模自动化生产中必须遵循一套相当严格的生产工艺。半导体器件及其组成的集成电路的生产工艺流程大致都分成以下四个步骤:晶圆处理工序、晶圆针测工序、封装工序、测试工序。其中晶圆处理和晶圆针测工序称为前段工序,而封装工序、测试工序称为后段工序[4~5],其实现过程的分析如下:(1)晶圆处理工序。在晶圆上制作电路及电子元件(如晶体管、电容、逻辑开关等),其处理程序通常与产品种类以及所使用的技术有关,基本步骤是先将晶圆适当清洗,再在其表面进行氧化及化学气相沉积,然后进行涂膜、曝光、显影、蚀刻、离子植入、金属溅镀等,并根据需要反复进行若干次,最终在晶圆上实现一层或数层电路。(2)晶圆针测工序。每一个电路形成一个小格,即晶粒。通常一个晶圆上可形成多达几百甚至几千个晶粒,为便于测试,提高效率,同一片晶圆上制作同一品种、规格的产品;但也可根据需要制作几种不同品种、规格的产品。在用针测仪对每个晶粒检测其电气特性,并将不合格的况,粒标上记号后,将晶圆切开,分割成一颗颗单独的晶粒,再按其电气特性分类,装入不同的托盘中,不合格的晶粒则舍弃。(3)封装工序。就是将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷芯片基座上,并把晶粒上蚀刻好的一些引接线端与基座底部伸出的插脚连接,最后塑封成形,到此才算制成了一块集成电路芯片。经过封装,晶粒可以免受到机械刮伤或高温破坏。这样的分立器件或集成电路也才可以方便地应用于线路板上。(4)测试工序。器件测试又可分为一般测试和特殊测试,前者是将封装后的芯片置于各种环境下测试其电气特性,如消耗功率、运行速度、耐压度等。经测试后的芯片,依其电气特性划分为不同等级。而特殊测试则是根据客户特殊需求的技术参数,从相近参数规格、品种中拿出部分芯片,做针对性的令门测试,看是否能满足客户的特殊需求,以决定是否须为客户设计专用芯片。经一般测试合格的产品还需印上规格、型号及批号等标识,包装后即可出厂。未通过测试的器件则作为废品。2半导器器的测试分析2.1封装行业历程手工作业的小批量生产只要采用通用的晶体管测试仪,这是一种实验室仪器。而规模的自动线生产则需要相应的自动测试机。从上述工序流程可以看出,只有高速、高精度、高度可靠的专用设备才能保证器件高品质,另外对生产场地的环境也有相当严格的要求。20世纪90年代以前,世界超大规模集成电路生产厂家主要集中在美国、日本、西欧等少数发达国家和地区,而亚洲其它地区大多只从事后道工序,即封装业。进入上世纪九十年代以来,韩国、新加坡和台湾省纷纷介入IC前道工序,大规模投资于难度较高的IC制造业。在大陆地区,由于起步较晚,使得IC的发展还没有步入一个正常的轨道。许多电子器件生产)一家仍主要从事后道工序的生产,进行大规模封装、测试分档等工作,最后包装出厂销售。随着国内几家年生产能力上亿块的封装企业的建成并投入规模生产,国内集成电路封装企业的产量和销售额均大幅度增长,封装业已成为我国集成电路产业的币要组成部分。由于发达国家已经基本放弃了分立器件的生产,这使得尚处于发展中的中国成为了分立器件生产大国。随着计算机、通信产业的快速发展,社会生产及消费领域对电子产品的需求更有了极大的提高。伴随着电子行业的蓬勃发展,越来越多的半导体分立器件产品被应用到电子产品生产的各个领域。但也应看到我们的电子产品生产线的主要设备仍落后于先进国家,自主开发的比例还很小,同时晶体管的测试技术尤为落后[1~5]。2.2晶体结构检测分立器件有着十分巨大的市场,这不仅体现出是对数量上的简单需求,同时一对产品质量、品种与规格有更高的要求。因此,如何对分立器件进行高速的检测分档成为生产厂家的要解决的问题。能否对批量产品按照市场要求进行准确而快速的分档,对企业来说至关重要。器件的各项性能参数往往正是客户选择产品的依据。半导体分立器件主要有以下几种分类方式:按半导体材料和极性分类,按结构及制造工艺分类、按电流容量分类、按工作频率分类、按封装结构分类等。这往往在器件生产之前已经就有结果。而同一型号产品则是根据器件的主要参数进行分类的。而对这些分立器件的质量保证是通过性能测试实现的,虽然半导体的晶体三级管种类繁多,但其主要的测试参数一致,大致可分为:(1)电流放大系数。电流放大系数也称电流放大信数,用来表示晶体管放大能力,根据晶体管工作状态的不同,电流放大系数又分为直流电流放大系数和交流电流放大系数。(2)反向击穿电压。是指晶体管在工作时所允许施加的最高工作电压,测试电压加在三极管的任意两极上,而另一极开路(悬空),即有三种反向击穿电压,它们分别是:集电极一发射极,集电极一基极和发射极一基极,典型值为几十伏。测试机必须能够提供出可控的高压信号到相应的两极。(3)反向漏电流(或反向截止电流)。有Icbo和Iceo,其中Icbo是指发射极开路时,集电极与基极之间在规定的测试电压下的反向电流。Icbo对温度较敏感,该值越小,温度特性越好;Iceo是指基极开路时,其集电极与发射极之间在规定的测试电压下的反向漏电电流,也称穿透电流。此电流值越小,说明况,体管的性能越好。Icbo和Iceo通常为nA~mA级,对性能优异的晶体管,此参数甚难精确测出,通常只需小于某值即可。但测试机应尽量精确地检测这种微弱电流。(4)集电极最大电流(ICM)。集电极允许通过的最大电流。集电极电流Ic超过ICM时,晶体管的电流放大系数等参数将发生明显变化,影响其正常工作,甚至还会损坏。(5)饱和压降。包括集电极一发射极之间的饱和压降(VceSAT)和基极—发射极之间的饱和压降(VbeSAT)。(6)截止电流。发射极一基极截止电流(IEB),一般要求小于某值,例如5mA电流。其他如耗散功率(PCM)、频率特性(fT,fM)等也是非常币要的参考与衡量指标。3bicmos/熔喷非织造材料的工艺发展半导体器件及其集成电路制造所采用的两种基本工艺为双极型和MOS型,后来为了兼顾速度和功耗,目前已发展出两种工艺相结合的BiCMOS工艺。用双极工艺可以制造出速度高、驱动能力强、模拟精度高的器件,但双极型器件在功耗和集成度方而无法满足规模越来越大的系统集成的要求;而CMOS工艺可以制造出功耗低、集成度高和抗干扰能力强的CMOS器件,其缺点是速度低、驱动能力差,在既要求高集成度又要求高速的领域内也无能为力。BiCMOS工艺是把双极型器件和CMOS器件同时制作在同一个芯片上,这样就综合了双极型器件高跨导、强负载驱动能力和CMOS器件高集成度、低功耗的特点,使其互相取长补短,发挥各自的优点,给高速、高集成度、高性能的半导体分立器件及其大规模集成电路的发展开辟了一条新的道路。目前,已开发出许多种各具特色的BiCMOS工艺,归纳起来大致可分为两大类:一类是以CMOS工艺为基础的BiCMOS工艺,其中包括P阱BiCMOS工艺和N阱BiCMOS工艺;另一类是以标准双极型工艺为基础的BiCMOS工艺。当然,以CMOS工艺为基础的BiCMOS工艺对保证其中的CMOS器件的性能有一利,而以双极型工艺为基础的BiCMOS工艺生产的电路中双极型器件的性能较好。向小尺寸发展、采用多层金属结构使功率器件的导通电阻降低、电流密度和效率提高,使CMOS电路的集成度提高,同时削弱了将电路各单元集成在一起时温度、压力、扩散与电势梯度带来的负而面影响。与此同时,BCD工艺(Bipolar-CMOS-DMOStechnology)的出现使其向模块化、灵活化发展,其基本工序标准化而混合工艺则由这些基本工序组合而成。当今BCD工艺中的CMOS与纯CMOS完全兼容,现有图形单元库可以直接被混合工艺电路调用。BCD工艺的发展使许多复杂的功能