ic設(shè)計論壇—集成電路晶圓測試基礎(chǔ).ppt

1、2.2.2 晶體管基本原理和結(jié)構(gòu) 3.MOS晶體管 MOS型晶體管屬于場效應(yīng)晶體管，是一種電壓控制的單極四端器件。場效應(yīng)器件分為絕緣型（MOSFET/MESFET）和結(jié)型（JFET）兩種。BJT的開關(guān)特性的開關(guān)特性iB 0，iC 0，vOVCEVCC，c、e極之間近似于開路極之間近似于開路,vI=0V時時:iB 0，iC 0，vOVCE0.2V，c、e極之間近似于短路極之間近似于短路,vI=5V時時:2.2.3集成電路的基本原理和結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體集成電路有雙極型集成電路和MOS集成電路兩大類。單片半導(dǎo)體集成電路是通過許多道平面工藝，把許多有源器件、無源元件和金屬薄膜導(dǎo)線按集成設(shè)計要求有序并規(guī)則地制

2、作在同一塊硅片（基片）上，以達到各種性能指標，并能滿足特定功能條款的電路。2.2.3集成電路的基本原理和結(jié)構(gòu) 集成電路的有源器件指雙極型和MOS型等各類晶體管，他要用多個方程才能描述其完整特性 無源元件通常指電阻、電容和電感，他們只要單個簡單的方程就能描述其特性2.2.3集成電路的基本原理和結(jié)構(gòu) 任何集成電路中都有信息流和能量流，能量流是為確保集成電路正常工作的能量需求而形成的電子流，信息流是集成電路為完成其功能形成的信號流。 信號流分為數(shù)字信號和模擬信號2.2.3集成電路的基本原理和結(jié)構(gòu) 模擬信號 信號波形模擬著信息的變化而變化，如圖所示的信號稱為模擬信號。其特點是幅度連續(xù)( 連續(xù)的含義是在

3、某一取值范圍內(nèi)可以取無限多個數(shù)值)。 2.2.3集成電路的基本原理和結(jié)構(gòu) 數(shù)字信號 下圖是數(shù)字信號，其特點是幅值被限制在有限個數(shù)值之內(nèi)，它不是連續(xù)的而是離散的， 這種幅度是離散的信號稱數(shù)字信號。2.2.3集成電路的基本原理和結(jié)構(gòu) 1.集成電路基本原理 （1）雙極型集成數(shù)字邏輯電路。按其晶體管正常工作的狀態(tài)分為飽和型和非飽和型。TTL是飽和型、STTL電路抗飽和，歸屬飽和型電路。2.2.3集成電路的基本原理和結(jié)構(gòu) TTL集成電路是由雙極型晶體管為主體構(gòu)成的。TTL集成電路的最基本單元電路有TTL與非門、TTL或非門、TTL反相器和TTL與或非門等。2.2.3集成電路的基本原理和結(jié)構(gòu) TTL集成電

4、路品種較多，互換性較強。民品系列的前綴是“74”，軍品系列的前綴是“54”，軍品的制造工藝過程控制嚴格，適用溫度也更寬。2.2.3集成電路的基本原理和結(jié)構(gòu) （2）CMOS集成數(shù)字邏輯電路。NMOS和PMOS管的串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)組合可以構(gòu)成各種基本單元邏輯電路。2.2.3集成電路的基本原理和結(jié)構(gòu) （3）模擬集成運算放大器 構(gòu)成模擬系統(tǒng)的典型模擬集成電路有集成運算放大器、集成鎖相環(huán)、集成濾波器、集成穩(wěn)壓器等。 1.輸入級 使用高性能的差分放大電路，它必須對共模信號有很強的抑制力，而且采用雙端輸入雙端輸出的形式。 4.偏置電路 提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點。 3.輸出級 由

5、PNP和NPN兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，以獲得正負兩個極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。 2.電壓放大級 要提供高的電壓增益，以保證運放的運算精度。中間級的電路形式多為差分電路和帶有源負載的高增益放大器。 運算放大器的引線 運算放大器的符號中有三個引線端，兩個輸入端，一個輸出端。一個稱為同相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相同，用符號+表示；另一個稱為反相輸入端，即該端輸入信號變化的極性與輸出端相反，用符號“-”表示。輸出端在輸入端的另一側(cè)，在符號邊框內(nèi)標有+號。集成放大器的符號運運算算放放大大器器外外形形圖圖運算放大器的常見參數(shù)1.輸入失調(diào)電壓VIO(input of

6、fset voltage) ：輸入電壓為零時，將輸出電壓除以電壓增益，即為折算到輸入端的失調(diào)電壓。VIO是表征運放內(nèi)部電路對稱性的指標。 2.輸入失調(diào)電流IIO(input offset current)：在零輸入時，差分輸入級的差分對管基極電流之差，用于表征差分級輸入電流不對稱的程度。 3.輸入偏置電流IB(input bias current)：運放兩個輸入端偏置電流的平均值，用于衡量差分放大對管輸入電流的大小。 4.輸入失調(diào)電壓溫漂 ：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓隨溫度的變化量與溫度變化量之比值。 5.輸入失調(diào)電流溫漂 ：在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流隨溫度的變化量與溫度變化量

7、之比值。 6.最大差模輸入電壓 (maximum differential mode input voltage)：運放兩輸入端能承受的最大差模輸入電壓，超過此電壓時,差分管將出現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象。 7.最大共模輸入電壓 (maximum common mode input voltage)：在保證運放正常工作條件下，共模輸入電壓的允許范圍。共模電壓超過此值時，輸入差分對管出現(xiàn)飽和，放大器失去共模抑制能力。 2.3 晶圓測試項目 晶圓測試是在探針臺上進行的，晶圓測試時，金屬探針的一端接到相應(yīng)的電源、地、信號源、控制和檢測單元，另一端的金屬探針針尖接觸焊盤。一般探針與探針卡的晶圓測試可以測試直流參數(shù)

8、（與時間無關(guān)的參數(shù)）、功能和某些極限參數(shù)測試以及部分低速低頻芯片的低精度交流參數(shù)（與時間有關(guān)的參數(shù)）測試。2.3.1 性能參數(shù)測試項目 1.直流（DC）參數(shù) 大規(guī)模集成電路的直流參數(shù)體系包括所有表征集成電路的電流和電壓參數(shù)。這些參數(shù)決定于在測試狀態(tài)下，對被測器件（DUT）芯片的所有輸入引腳、輸出引腳和電源引線等進行的穩(wěn)態(tài)電氣特性測試。 現(xiàn)今大規(guī)模集成電路測試設(shè)備內(nèi)部都裝有（DC）子系統(tǒng)，DC子系統(tǒng)包括可編程電源DPS和高精度的精密測量單元PMU2.3.1 性能參數(shù)測試項目 2.功能 集成電路的功能依照設(shè)計的要求會有千差萬別。集成電路可以實現(xiàn)數(shù)字邏輯運算，數(shù)字和模擬信號的處理、控制、存儲、發(fā)射等

9、一系列功能。 3.極限（裕量）參數(shù) 集成電路的極限參數(shù)是與集成電路工作環(huán)境密切相關(guān)的，指允許變化范圍的極限電學(xué)參數(shù)。 4.交流參數(shù) 集成電路的交流參數(shù)是與時間有關(guān)的電參數(shù)，包括上升時間和下降時間、傳輸過程的延遲時間、建立和保持時間、刷新和暫停時間等。2.4 晶圓測試設(shè)備 晶圓測試設(shè)備是借助于探針對晶圓上芯片進行測試的設(shè)備。利用晶圓測試設(shè)備可以步進測試晶圓上器件和芯片的電學(xué)性能參數(shù)和功能，得到晶圓上芯片和微電子測試結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計量。2.4.1 手動探針測試臺 手動探針測試臺具有最基本的配置，能進行手動步進測試。2.4.1 手動探針測試臺 1.探針卡與探針座 探針很單薄、很細小，每個探針卡上可以有序組

10、裝許多探針，一塊探針卡可以組裝幾百根。探針卡上的許多探針預(yù)先按照集成電路芯片的焊盤位置進行分布和焊接，形成固定的探針陣列。 探針座安裝在探針座支架上，可以自由移動和固定位置。探針座的體積比卡用探針大得多，探針座支架上可以安裝的探針座是有限的，最多幾十個。2.4.1 手動探針測試臺2.4.1 手動探針測試臺 2.體視顯微鏡 體視顯微鏡安裝在手動探針測試臺的載物工作臺上方，用于觀察晶圓、芯片和探針。體視顯微鏡由雙目鏡、物鏡、顯微鏡筒體、倍率調(diào)節(jié)裝置和升降導(dǎo)軌裝置等構(gòu)成。2.4.1 手動探針測試臺 3.載物工作臺 載物臺由X-Y二維步進工作臺和載物臺構(gòu)成。載物臺上放置被測物件，即晶圓片等，載物臺可以

11、進行360度的旋轉(zhuǎn)和Z方向的升降。2.4.1 手動探針測試臺 4.探針卡支架與探針座支架 探針卡支架主要用于安裝和固定探針卡，探針卡支架保證了探針卡的機械穩(wěn)定性。晶圓測試時，探針陣列固定不動，晶圓做相對步進移動和升降移動，以完成對晶圓上陣列芯片的測試。2.4.1 手動探針測試臺 5.打墨點裝置 打墨點裝置固定于支架上，可以在不合格的芯片表面打墨點標記，以便在晶圓劃片后分離芯片時，能區(qū)分合格和不合格芯片。2.4.2 自動探針測試臺 自動測試探針臺可以再細分為半自動和全自動兩種。半自動探針測試臺需要人工干預(yù)，用于自動化程度要求不高的場合。全自動測試探針臺能完成自動裝片、自動對準、自動步進、自動測試

12、等，用于自動生產(chǎn)流水線。2.4.2 自動探針測試臺 用自動測試臺進行晶圓測試時，首先要設(shè)定自動探針臺的工作參數(shù)，如晶圓直徑、X-Y方向的芯片步進距離、Z方向的分離高度、Z向升降工作模式、測試方式和打點模式等。 其次，把晶圓安裝在晶圓承片步進臺上，晶圓承片步進臺進入探針測試臺中心，經(jīng)系統(tǒng)的CCD顯微攝像裝置掃描找準后，X-Y二維步進工作臺移動定位到測試探針陣列對準晶圓上芯片的位置，升降Z軸，使探針和芯片接觸。2.4.2 自動探針測試臺 然后，探針臺受啟動測試信號的控制，對芯片進行測試，芯片測試過程結(jié)束。 最后，打點裝置受打點信號控制，按照測試結(jié)果決定是否打墨點之后，承片臺下降。2.4.2 自動探

13、針測試臺 1.基本構(gòu)成和功用 自動探針卡測試臺是光機電一體化的精密設(shè)備，比手動探針卡測試臺更復(fù)雜、緊密、高效。自動探針卡測試臺有兩種構(gòu)成方式，一種是獨立的整機設(shè)備，另一種是依附于集成電路自動測試設(shè)備的模塊式自動探針卡測試臺。2.4.2 自動探針測試臺 2.外圍保障和輔件 自動探針測試臺、自動測試設(shè)備和自動分選機的外圍保障有工業(yè)動力源、壓縮氣動源、防靜電的凈化室等。2.5 晶圓測試操作 晶圓測試主要是利用探針卡與探針對功能芯片電路和微電子測試結(jié)構(gòu)的測試。芯片測試主要測試是功能測試和直流參數(shù)測試，特殊需要時，低頻低速電路還可以安排交流參數(shù)的測試，但是要解決好探針電容匹配和感應(yīng)耦合引起的嚴重干擾問題

14、，以確保測試精度。手動探針臺的測試操作 以典型的微電子測試結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)提取為例。（1）利用范德堡測試結(jié)構(gòu)對摻雜層薄層電阻進行測試，必須保證測試的精度和分辨率。范德堡測試結(jié)構(gòu)是四端對稱結(jié)構(gòu)，測試結(jié)構(gòu)是緊鄰兩端加恒定電流，另兩端測電壓手動探針臺的測試操作 （2）要減少測試誤差。首先，該測試結(jié)構(gòu)的兩個電流端口要加正負恒定電流，另外兩個端口測到兩個電壓值。然后，四端口作90度旋轉(zhuǎn)，再一次進行正負恒定電流下的測試，又得到兩個電壓值，取這四個測量值的平均值以減少誤差。手動探針臺的測試操作 測試步驟： 1.安裝探針，調(diào)整四個探針座 2.下降載物臺，在載物臺上安放晶圓 3.通過體視顯微鏡進行觀察和判斷，對探針

15、座做微調(diào)（通常根據(jù)壓痕來判斷位置） 4.選定電壓電流測量工具 5.測試 6.下降載物臺，移到另一個測試結(jié)構(gòu)位置，進行重復(fù)測試，直到取下晶圓 7.分析測試的數(shù)據(jù)自動探針臺的測試操作 1.晶圓芯片的參數(shù)測試 直流參數(shù)測試和功能測試 2.晶圓芯片的測試要點 （1）熟悉被測晶圓和芯片的二維結(jié)構(gòu)、位置尺寸、工藝參數(shù)等 （2）設(shè)置和建立基本測試條件 （3）利用探針卡進行晶圓芯片測試，必須保證探針卡的精度和可靠性。 （4）正確設(shè)置探針臺的各種位置和測試參數(shù)自動探針臺的測試操作 3.晶圓芯片的測試步驟 （1）在晶圓探針臺上安裝探卡 （2）與探卡相匹配的校準晶圓安裝在晶圓承片步進臺上 （3）接通電源，接地線和氣源 （4）開機 （5）