原创 半导体全制程介绍(上)

2019-7-18 15:59 933 6 6 分类: 消费电子 文集: 综合文档


《晶圆处理制程介绍》

基本晶圆处理步骤通常是晶圆先经过适当的清洗Cleaning之后送到热炉管Furnace在含氧的环境中以加热氧化Oxidation的方式在晶圆的表面形成一层厚约数百个的二氧化硅层紧接着厚约1000 2000的氮化硅层将以化学气相沈积Chemical Vapor DepositionCVP的方式沈积Deposition在刚刚长成的二氧化硅上然后整个晶圆将进行微影Lithography的制程先在晶圆上上一层光阻Photoresist),再将光罩上的图案移转到光阻上面。接着利用蚀刻(Etching)技术,将部份未  被光阻保护的氮化硅层加以除去,留下的就是所需要的线路图部份。接着以磷为离子源(Ion Source),对整片晶圆进行磷原子的植入(Ion Implantation),然后再把光阻剂去除(Photoresist  Scrip)。制程进行至此,我们已将构成集成电路所需的晶体管及部份的字符线(Word Lines),依光罩所提供的设计图案,依次的在晶圆上建立完成,接着进行金属化制程(Metallization),制作金属导线,以便将各个晶体管与组件加以连接,而在每一道步骤加工完后都必须进行一些电性、或是物理特性量测,以检验加工结果是否在规格内(Inspection and  Measurement);如此重复步骤制作第一层、第二层...的电路部份,以在硅晶圆上制造晶体管等其它电子组件;最后所加工完成的产品会被送到电性测试区作电性量测。

 

根据上述制程之需要,FAB厂内通常可分为四大区:

1)黄光    本区的作用在于利用照相显微缩小的技术,定义出每一层次所需要的电路图,因为采用感光剂易曝光,得在黄色灯光照明区域内工作,所以叫做「黄光区」。 

2)蚀刻    经过黄光定义出我们所需要的电路图,把不要的部份去除掉,此去除的步骤就>   称之为蚀刻,因为它好像雕刻,一刀一刀的削去不必要不必要的木屑,完成作品,期间又利用酸液来腐蚀的,所以叫做「蚀刻区」。 

3)扩散    本区的制造过程都在高温中进行,又称为「高温区」,利用高温给予物质能量而产生运动,因为本区的机台大都为一根根的炉管,所以也有人称为「炉管区」,每一根炉管都有不同的作用。 

4)真空    本区机器操作时,机器中都需要抽成真空,所以称之为真空区,真空区的机器多用来作沈积暨离子植入,也就是在Wafer上覆盖一层薄薄的薄膜,所以又称之为「薄膜区」。在真空区中有一站称为晶圆允收区,可接受芯片的测试,针对我们所制造的芯片,其过程是否有缺陷,电性的流通上是否有问题,由工程师根据其经验与电子学上知识做一全程的检测,由某一电性量测值的变异判断某一道相关制程是否发生任何异常。此检测不同于测试区(Wafer  Probe)的检测,前者是细部的电子特性测试与物理特性测试,后者所做的测试是针对产品的电性功能作检测。

 

《晶柱成长制程》

 

     硅晶柱的长成,首先需要将纯度相当高的硅矿放入熔炉中,并加入预先设定好的金属物质,使产生出来的硅晶柱拥有要求的电性特质,接着需要将所有物质融化后再长成单晶的硅晶柱,以下将对所有晶柱长成制程做介绍

 长晶主要程序︰                                    


融化MeltDown

此过程是将置放于石英坩锅内的块状复晶硅加热制高于摄氏1420度的融化温度之上,此阶段中最重要的参数为坩锅的位置与热量的供应,若使用较大的功率来融化复晶硅,石英坩锅的寿命会降低,反之功率太低则融化的过程费时太久,影响整体的产能。

 

   颈部成长(Neck Growth

当硅融浆的温度稳定之后,将<1.0.0>方向的晶种渐渐注入液中,接着将晶种往上拉升,并使直径缩小到一定(约6mm),维持此直径并拉长10-20cm,以消除晶种内的排差(dislocation),此种零排差(dislocation-free)的控制主要为将排差局限在颈部的成长。

 

   晶冠成长(Crown Growth

长完颈部后,慢慢地降低拉速与温度,使颈部的直径逐渐增加到所需的大小。

 

晶体成长(Body Growth

利用拉速与温度变化的调整来迟维持固定的晶棒直径,所以坩锅必须不断的上升来维持固定的液面高度,于是由坩锅传到晶棒及液面的辐射热会逐渐增加,此辐射热源将致使固业界面的温度梯度逐渐变小,所以在晶棒成长阶段的拉速必须逐渐地降低,以避免晶棒扭曲的现象产生。

   尾部成长(Tail Growth

当晶体成长到固定(需要)的长度后,晶棒的直径必须逐渐地缩小,直到与液面分开,此乃避免因热应力造成排差与滑移面现象。

 

《晶柱切片后处理》

     硅晶柱长成后,整个晶圆的制作才到了一半,接下必须将晶柱做裁切与检测,裁切掉头尾的晶棒将会进行外径研磨、切片等一连串的处理,最后才能成为一片片价值非凡的晶圆,以下将对晶柱的后处理制程做介绍。

切片Slicing                                  

     长久以来经援切片都是采用内径锯,其锯片是一环状薄叶片,内径边缘镶有钻石颗粒,晶棒在切片前预先黏贴一石墨板,不仅有利于切片的夹持,更可以避免在 最后切断阶段时锯片离开晶棒所造的破裂。 切片晶圆的厚度、弓形度(bow)及挠屈度(warp)等特性为制程管制要点。影响晶圆质量的因素除了切割机台本身的稳定度与设计外,锯片的张力状况及钻石锐利度的保持都有很大的影响。

 

   圆边(Edge Polishing

     刚切好的晶圆,其边缘垂直于切割平面为锐利的直角,由于硅单晶硬脆的材料特性,此角极易崩裂,不但影响晶圆强度,更为制程中污染微粒的来源,且在后续的半导体制成中,未经处理的晶圆边缘也为影响光组与磊晶层之厚度,固须以计算机数值化机台自动修整切片晶圆的边缘形状与外径尺寸。

 

   研磨Lapping

     研磨的目的在于除去切割或轮磨所造成的锯痕或表面破坏层,同时使晶圆表面达到可进行抛光处理的平坦度。

 

   蚀刻(Etching

     晶圆经前述加工制程后,表面因加工应力而形成一层损伤层(damaged  layer),在抛光之前必须以化学蚀刻的方式予以去除,蚀刻液可分为酸性与碱性两种。

 

   去疵Gettering

     利用喷砂法将晶圆上的瑕疵与缺陷感到下半层,以利往后的IC制程。

 

   抛光(Polishing

     晶圆的抛光,依制程可区分为边缘抛光与表面抛光两种边缘抛光(Edge Polishing)。

Ø   边缘抛光的主要目的在于降低微粒(particle)附着于晶圆的可能性,并使晶圆具备较佳的机械强度,但需要的设备昂贵且技术层面较高,除非各户要求,否则不进行本制程。

Ø   表面抛光(Surface Polishing是晶圆加工处理的最后一道步骤,移除晶圆表面厚度约10-20微米,其目的在改善前述制程中遗留下的微缺陷,并取得局部平坦度的极佳化,以满足IC制程的要求基本上本制程为化学-机械的反应机制,由研磨剂中的NaOH  , KOH , NH4OH腐蚀晶圆的最表层,由机械摩擦作用提供腐蚀的动力来源。

 

《晶圆针测制程介绍-1

 

     晶圆针测(Chip  ProbingCP)之目的在于针对芯片作电性功能上的测试(Test),使 IC 在进入构装前先行过滤出电性功能不良的芯片,以避免对不良品增加制造成本。

     半导体制程中,针测制程只要换上不同的测试配件,便可与测试制程共享相同的测试机台(Tester)。所以一般测试厂为提高测试机台的使用率,除了提供最终测试的服务亦接受芯片测试的订单。以下将此针测制程作一描述。

1)晶圆针测并作产品分类(Sorting

晶圆针测的主要目的是测试晶圆中每一颗晶粒的电气特性,线路的连接,检查其是否为不良品,若为不良品,则点上一点红墨水,作为识别之用。除此之外,另一个目的是测试产品的良率,依良率的高低来判  断晶圆制造的过程是否有误。良品率高时表示晶圆制造过程一切正常,若良品率过低,表示在晶圆制造的过程中,有某些步骤出现问题,必须尽快通知工程师检查。

2)雷射修补(Laser Repairing    

雷射修补的目的是修补那些尚可被修复的不良品(有设计备份电路在其中者),提高产品的良品率。当晶圆针测完成后,拥有备份电路的产品会与其在晶圆针测时所产生的测试结果数据一同送往雷射修补机中,这些数据包括不良品的位置,线路的配置等。雷射修补机的控制计算机可依这些数据,尝试将晶圆中的不良品修复。

3)加温烘烤(Baking    

加温烘烤是针测流程中的最后一项作业,加温烘烤的目的有二:

   (一)将点在晶粒上的红墨水烤干。

   (二)清理晶圆表面。经过加温烘烤的产品,只要有需求便可以出货。

 

《半导体测试制程介绍-2

测试制程乃是于IC构装后测试构装完成的产品之电性功能以保证出厂IC功能上的完整性,并对已测试的产品依其电性功能作分类(即分Bin),作为IC不同等级产品的评价依据;最后并对产品作外观检验(Inspect)作业。

电性功能测试乃针对产品之各种电性参数进行测试以确定产品能正常运作,用于测试之机台将根据产品不同之测试项目而加载不同之测试程序;而外观检验之项目繁多,且视不同之构装型态而有所不同,包含了引脚之各项性质、印字(mark)之清晰度及胶体(mold)是否损伤等项目。而随表面黏着技术的发展,为确保构装成品与基版间的准确定位及完整密合,构装成品接脚之诸项性质之检验由是重要。以下将对测试流程做一介绍

 

1.上线备料    

上线备料的用意是将预备要上线测试的待测品,从上游厂商送来的包箱内拆封,并一颗颗的放在一个标准容器(几十颗放一盘,每一盘可以放的数量及其容器规格,依待测品的外形而有不同)内,以利在上测  试机台(Tester)时,待测品在分类机(Handler)内可以将待测品定位,而使其内的自动化机械机构可以自动的上下料。 

 

2.测试机台测试(FT1FT2FT3    

待测品在入库后,经过入库检验及上线备料后,再来就是上测试机台去测试;如前述,测试机台依测试产品的电性功能种类可以分为逻辑IC测试机、内存IC测试机及混合式IC(即同时包含逻辑线路及模拟线路)测试机三种,测试机的主要功能在于发出待测品所需的电性讯号并接受待测品因此讯号后所响应的电性讯号并作出产品电性测试结果的判断,当然这些在测试机台内的控制细节,均是由针对此一待测品所写之测试程序(Test Program)来控制。

 

即使是同一类的测试机,因每种待测 品其产品的电性特性及测试机台测试能力限制而有所不同。一般来说,待测品在一家测试厂中,会有许多适合此种产品电性特性的测试机台可供其选择;除了测试机台外,待测品要完成电性测试还需要一些测试配件:

A)分类机(Handler

承载待测品进行测试的自动化机械结构,其内有机械机构将 待测品一颗颗从标准容器内自动的送到测试机台的测试头(Test Head)上接受测试,测试的结果会从测试机台内传到分类机内,分类机会依其每颗待测品的电性测试结果来作分类(此即产品分Bin)的过程;此外分类机内有升温装置,以提供待测品在测试  时所需测试温度的测试环境,而分类机的降温则一般是靠氮气,以达到快速降温的目的。不同的Handler、测试机台及待测品的搭配下,其测试效果会有所同,因此对测试产品而言,对可适用的HandlerTester就会有喜好的选择现象存在。

 

测试机台一般会有很多个测试头(Test  Head),个数视测试机台的机型规格而定,而每个测试头同时可以上一部分类机或针测机,因此一部测试机台可以同时的与多台的分类机及针测机相连,而依连接的方式又可分为平行处理,及乒乓处理,前者指的是在同一测试机台上多台分类机以相同的测试程试测试同一批待测品,而后者是在同一测试机台上多台分类机以不同的测试程序同时进行不同批待测品的测试。

 

B)测试程序(Test Program

每批待测产品都有在每个不同的测试阶段(FT1FT2FT3),如果要上测试机台测试,都需要不同的测试程序,不同品牌的测试机台,其测试程序的语法并不相同,因此即使此测试机台有能力测试某待测品,但却缺少测试程序,还是没有用;一般而言,因为测试程序的内容与待测品的电性特性息息相关,所以大多是客户提供的。

 

3)测试机台接口   

这是一个要将待测品接脚上的讯号连接上测试 机台的测试头上的讯号传送接点的一个转换接口,此转换接口,依待测品的电性特性及外形接脚数的不同而有很多种类,如:Hi-Fix(内存类产品)、Fixture Board(逻辑类产品)、Load  Board(逻辑类产品)、Adopt Board + DUT Board(逻辑类产品)、Socket(接脚器,依待测品其接脚的分布位置及脚数而有所不同)。每批待测品在测试机台的测试次数并不相同,这完全要看客户的要求,一般而言逻辑性的产品,只需上测试机台一次(即FT2)而不用FT1FT3,如果为内存IC则会经过二至三次的测试,而每次的测试环境温度要求会有些不同,测试环境的温度选择,有三种选择,即高温、常温及低温,温度的度数有时客户也会要求,升温比降温耗时许多,而即于那一道要用什么温度,这也视不同客户的不同待测品而有所不同。每次测试完,都会有测试结果报告,若测试结果不佳,则可能会产生Hold住本批待测品的现象产生。

 

3.预烧炉(Burn-In Oven)(测试内存IC才有此程序)    

在测试内存性产品时,在FT1之后,待测品都会上预烧炉里去Burn In,其目的在于提供待测品一个高温、高电压、高电流的环境,使生命周期较短的待测品在Burn In的过程中提早的显现出来,在Burn In后必需在96个小时内待测品Burn In物理特性未消退之前完成后续测试机台 测试的流程,否则就要将待测品种回预烧炉去重新Burn In。在此会用到的配件包括Burn-In BoardBurn In Socket..等。

 

4.电性抽测    

在每一道机台测试后,都会有一个电性抽测的动作(俗称QCQ货),此作业的目的在将此完成测试机台测试的待测品抽出一定数量,重回测试机台在测试程序、测试机台、测试温度都不变下,看其测试结果是否与之前上测试机台的测试结果相一致,若不一致,则有可能是测试机台故障、测试程序有问题、测试配件损坏、测试过程有瑕疵..等原因,原因小者,则需回测试机台重测,原因大者,将能将此批待测品Hold住,等待工程师、生管人员与客户协调后再作决策。

 

5.卷标扫描(Mark Scan

利用机械视觉设备对待测品的产品上的产品Mark作检测,内容包括 Mark的位置歪斜度及内容的清晰度..等。

 

6.人工检脚或机器检脚    

检验待测品IC的接脚的对称性、平整性及共面度等,这部份作业有时会利用雷射扫描的方式来进行,也会有些利用人力来作检验。

 

7.检脚抽检与弯脚修整    

对于弯脚品,会进行弯脚品的修复作业,然后再利用人工进行检脚的抽验。

 

8.加温烘烤(Baking    

在所有测试及检验流程之后,产品必需进烘烤炉中进行烘烤,将待测品上水气烘干,使产品在送至客户手中之前不会因水气的腐蚀而影响待测品的质量。

 

9.包装(Packing    

将待测品依其客户的指示,将原来在标准容器内的待测品的分类包装成客户所指定的包装容器内,并作必要的包装容器上之商标粘贴等。 

 

10.出货的运送作业    

由于最终测试是半导体IC制程的最后一站,所以许多客户就把测试厂当作他们的成品仓库,以避免自身工厂的成品存放的管理,另一方面也减少不必要的成品搬运成本,因此针对客户的要求,测试厂也提供所谓的「Door  to Door」的服务,即帮助客户将测试完成品送至客户指定的地方(包括客户的产品买家),有些客户指的地点在海外者,便需要考虑船期的安排,如果在国内者,则要考虑货运的安排事宜

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