集成电路晶圆测试基础

载流子——可以自由移动的带电粒子。
电导率——与材料单位体积中所含载流子数 有关，载流子浓度越高，电导率越高。
电子空穴对
当T=0K和无外界激发时，导体中没有栽流子，不导电。当 温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子 可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子——本 证激发。
本征激发
半导体的基本知识
根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘 体和半导体。 半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半导体有硅 Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体的特点： 1）导电能力不同于导体、绝缘体； 2）受外界光和热刺激时电导率发生很大变化——光敏元件、 热敏元件； 3）掺进微量杂质，导电能力显著增加——半导体。
引言


集成电路按生产过程分类可归纳为前道测 试和后到测试；集成电路测试技术员必须 了解并熟悉测试对象—硅晶圆。 测试技术员应该了解硅片的几何尺寸形状、 加工工艺流程、主要质量指标和基本检测 方法；
硅片，是晶体材料的 重要组成部分，处于新材料发展的前沿。其主要 用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、 供热等。由于太阳能具有清洁、环保、方便等诸 多优势，在地壳中含量达27%的硅元素，为单晶 硅的生产提供了取之不尽的源泉。 非晶硅是一种直接能带半导体，也就是没有和周 围的硅原子成键的电子，这些电子在电场作用下 就可以产生电流，因而非晶硅可以做得很薄，还 有制作成本低的优点．
二极管按结构分有点接触型、面接触型二大类。 PN结面积小，结电容小， (1) 点接触型二极管
用于检波和变频等高频电路。
(2) 面接触型二极管
PN结面积大，用 于大电流整流电路。
2.2 晶圆

通过芯片制造工艺，在圆硅片上已经形成 了芯片阵列的硅圆片，被称为“晶圆”。 “晶圆”有别于硅片，通常把还没有经过 芯片制造工艺的原始圆硅片简称为“硅 片”。
N型半导体（电子型半导体）
在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑 ) 多余电子， 成为自由电子 自由电子 +4 +4 +4 +4 +4 +5 +4 +4 +4 +5 +4 +4 返回 +4 +4
P型半导体（空穴型半导体）
在本征半导体中掺入三价的元素（硼）
空穴 空穴
+4 +4 +4
+4 +3 +4 +4

3.设计模型参数
• 利用微电子结构图组技术的期间测试结构来提 取设计模型参数。建立VLSI库单元特性的一个 关键，在于是否有一个可靠的，并能正确反映 其工艺的器件模型参数。
2.2.1 晶圆的表形构成

4.焊盘
• 传统的方法是把芯片进行封装后提供给用户使 用，为此，就必须把芯片上的功能电路与外部 连接，即芯片上把焊盘作为引线的压焊点，兼 做测试点
2.2.2 晶体管基本原理和结构
2.2.3集成电路的基本原理和结构

半导体集成电路有双极型集成电路和MOS 集成电路两大类。单片半导体集成电路是 通过许多道平面工艺，把许多有源器件、 无源元件和金属薄膜导线按集成设计要求 有序并规则地制作在同一块硅片（基片） 上，以达到各种性能指标，并能满足特定 功能条款的电路。
2.1.1 硅片制备与检测

3.基本检测项目
• 硅片的主要质量要求如表
2.1.1 硅片制备与检测

4.基本检测方法
• 通常，检测硅片缺陷的方法是先对硅片进行选 择性的化学/电化学腐蚀，再利用光学显微镜观 察其表面微结构和缺陷，做缺陷性质判断和计 数评估，这是一种常用的快速、低成本检测单 晶硅片缺陷的方法。
(1) 正向特性
正向区分为两段： 当0＜V＜Vth时，正 向电流为零，Vth称死 区电压或开启电压。 当V ＞Vth时，开始 出现正向电流，并按 指数规律增长。
硅二极管的死区电压Vth=0.5~0.8V左右， 锗二极管的死区电压Vth=0.2~0.3 V左右。
2.2.2 晶体管基本原理和结构

2.双极型晶体管
• 双极型器件有电子和空穴两种载流子参与导电。 双极型NPN是由一个NP结和一个PN结，以及 两个结中间一个共享的很窄的P型区而构成的 三端有源器件。
BJT的开关特性
vI=0V时: iB0，iC0，vO＝VCE≈VCC，c、e极之间近似于开路, vI=5V时: iB0，iC0，vO＝VCE≈0.2V，c、e极之间近似于短路,
BJT的开关条件
工作状态 条件 截 止 放 大
I CS
饱
和
I CS
iB≈0
0 < iB <

iB >
发射结和集 发射结正偏， 发射结和集 偏置情况 电结均为反 集电结反偏 电结均为正偏 偏 集电极电 工 流 作 特 点 管压降
iC＝ICS≈
iC ≈ 0
ic ≈ iB
VCC Rc
且不随iB增加 而增加 VCES ≈ 0.2~0.3 V
2.2.2 晶体管基本原理和结构

晶体管是构成集成电路的重要有源基础器 件。要理解集成电路的原理和结构，就必 须了解晶体管的工作原理和结构。半导体 集成电路的晶体管有双极型和MOSFET型 两大类。
2.2.2 晶体管基本原理和结构

1.PN结和二极管
2.2.2 晶体管基本原理和结构

PN结具有重要的单向导电整流特性，即PN 结只允许电流沿一个方向流动。正向偏置 时，导电性很好，PN结电流随外加电压增 大而呈指数规律快速增大；反向偏置时， 导电性极差，PN结最初电流几乎为零，随 着外加反向电压增大，达到某一个临界电 压时，电流才迅速增加。
2.2.1 晶圆的表形构成

1.硅衬底是制作集成电路芯片的衬底材料， 他可以是P型或N型的原始抛光硅片，也可 以是经过外延工艺的硅片，依据集成电路 的结构形式和制造工艺选定。
2.2.1 晶圆的表形构成
硅衬底是制作集成电路芯片的衬底材料，它 可以是P型或N型的原始抛光硅片，也可以 是经过外延工艺的硅片，依据集成电路的 结构形式和制造工艺选定。
则掺杂后载流子浓度为1016+1010，约为1016数量级，
比掺杂前载流子增加106，即一百万倍。
PN结的形成及特性 PN结的形成 PN结的单向导电性
PN结的形成
在一块本征半导体 两侧通过扩散不同的杂 质,分别形成N型半导体 和P型半导体。
+ 三价的元素
产生多余空穴
+ 五价的元素
产生多余电子
动画
2.1.1 硅片制备与检测

1.几何尺寸形状
• 硅片的几何形状为圆形薄片，圆硅片边缘有定 位边（或称“参考面”），短的次定位边（次 参考面）。
2.1.1 硅片制备与检测
• 通常，硅片的边缘会有倒角，不同直径的硅片 有不同宽度的倒角。硅片很硬脆，在晶圆制造 过程中，硅片边缘易破裂，会造成应力，产生 碎屑，所以硅片必须倒角。
因浓度差
多子的扩散运动
由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散
PN结的单向导电性
(1) PN结加正向电压
外加的正向电压，方 向与PN结内电场方向相反， 削弱了内电场。于是,内 电场对多子扩散运动的阻 碍减弱，扩散电流加大。 扩散电流远大于漂移电流， 可忽略漂移电流的影响， PN结呈现低阻性。P区的 电位高于N区的电位，称 为加正向电压，简称正偏。
2.1.2 半导体材料与特性

概述


Ge,只用于某些特殊器件和光电探测器，半导体级 的纯锗成本比纯硅高10倍。 Si一直是半导体工业和集成电路的主材料，其不可 替代性在于地球上Si元素及其丰富（占地壳27%）， 仅次于氧
2.1.2 半导体材料与特性

硅的基本特性
• 硅有若干特性，硅的导电性可以由掺杂来控制， 常温下导电性主要由杂志来决定；

1.工艺监控参数
• （1）在工艺参数的监测中，最典型的微电子 测试结构是范德堡（VDP）测试结构，它主要 用于测量各种掺杂区域的薄层电阻。其测试结 构有圆形VDP，圆形栅极VDP、偏移方形十字、 大希腊十字形、小希腊十字形和正十字形六种， 其中，正十字形VDP测试结构经常被使用。
2.3.2 微电子测试结构图
微电子测试结构图
• （2）金属-半导体接触电阻测试结构。随着电 路结构尺寸越来越小。IC特征尺寸按比例因子 K减小，引线孔的面积按K2的关系缩小，则金 属-半导体接触电阻会以K2的速率增加。如何 正确的测定金属-半导体接触电阻或接触电阻率 成为了一个重要的问题。
微电子测试结构图

2.电路质控参数
动画
（2）PN结加反向电压
外加反向电压,方向与PN结内电场方向相同，加强 了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散 电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下 形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN 结呈现高阻性。 P区的电位低于N区的电位，称为加反 向电压，简称反偏。
动画
半导体二极管的结构
+4 +3 +4 +4
+4 +4 +4
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N型半导体的多数载流子为电子，少数载流子是空穴； P型半导体的多数载流子为空穴，少数载流子是电子。 例：纯净硅晶体中硅原子数为1022/cm3数量级，
10 在室稳下，载流子浓度为ni=pi=1010数量级，
掺入百万分之一的杂质（1/10-6），即杂质浓度 为1022*（1/106）=1016数量级，
半导体的共价键结构
硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四 个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的 价电子形成共价键。 原子按一定规律整齐排列，形成晶体点阵后， 结构图为：