一文读懂半导体制造的后端工艺

半导体制作工艺可分为前端和后端:前端主要是晶圆制作和光刻(在晶圆上绘制电路);后端主要是芯片的封装。随着前端工艺微细化技术逐渐达到极限,后端工艺的重要性愈发突显。作为可以创造新附加价值的核心突破点,其技术正备受瞩目。此系列文章将以《提高半导体附加价值的封装与测试》一书内容为基础,详细讲解后端工艺。

第一篇 了解半导体测试

#1 半导体后端工艺

制作半导体产品的第一步,就是根据所需功能设计芯片(Chip)。然后,再将芯片制作成晶圆(Wafer)。由于晶圆由芯片反复排列而成,当我们细看已完成的晶圆时,可以看到上面有很多小格子状的结构,其中一个小格子就相当于一个芯片。芯片体积越大,每个晶圆可产出的芯片数量就越少,反之亦然。

半导体设计不属于制程工序,半导体产品的制程工序大体可分为晶圆制作、封装和测试。其中,晶圆制作属于前端(Front End)工艺;封装和测试属于后端(Back End)工艺。晶圆的制作工艺中也会细分前端和后端,通常是CMOS制程工序属于前端,而其后的金属布线工序属于后端。

▲ 图1:半导体制作流程与半导体行业划分(ⓒHANOL出版社/photograph.SENSATA)

图1展示了半导体制程工艺及其行业的划分。只从事半导体设计的产业运作模式被称作芯片设计公司(Fabless),该模式的典型代表有高通(Qualcomm)、苹果(Apple)等。负责晶圆制作的制造商被称为晶圆代工厂(Foundry),他们根据Fabless公司的设计制作晶圆,其中最典型的代表要台积电(TSMC)了,DB HiTek、Magnachip等韩企也采用这一模式。经Fabless设计和Foundry制造的晶圆还需经过封装和测试,专门负责这两道工艺的企业就是外包半导体组装和测试(OSAT,Outsourced Assembly and Testing),其典型代表有ASE、JCET、星科金朋(Stats Chippac)、安靠(Amkor)等。此外,还有像SK海力士这样集半导体设计、晶圆制造、封装和测试等多个产业链环节于一身的集成设备制造商(IDM,Integrated Device Manufacturer)。

如图1所示,封装和测试工艺的第一步就是晶圆测试。封装后,再对封装进行测试。

半导体测试的主要目的之一就是防止不良产品出厂。一旦向客户提供不良产品,客户对我们的信任就会大打折扣,进而导致公司销售业绩的下降,还会引发赔偿等资金上的损失。因此,我们必须在产品出厂前对其进行细致的全面检测。半导体测试须根据产品的各种特性,对其各参数进行测试,以确保产品的品质和可靠度。当然,这需要时间、设备和劳动力上的投入,产品的制造成本也会随之增加。因此,众多测试工程师正致力于减少测试时间和测试参数。

#2 测试的种类

▲ 表1: 测试分类(ⓒ HANOL出版社)

测试工艺可依据不同的测试对象,分为晶圆测试和封装测试;也可根据不同的测试参数,分为温度、速度和运作模式测试等三种类型(见表1)。

温度测试以施加在试验样品上的温度为标准:在高温测试中,对产品施加的温度比产品规格1 所示温度范围的上限高出10%;在低温测试中,施加温度比规格下限低10%;而恒温测试的施加温度一般为25℃。在实际使用中,半导体产品要在各种不同的环境中运作,因此必须测试产品在不同温度下的运作情况以及其温度裕度(Temperature Margin)。以半导体存储器为例,高温测试范围通常为85~90℃,低温测试范围为-5~-40℃。

1规格(Spec): specification的缩写,指产品配置,即制造产品时在设计、制作方法上或对所需特性的各种规定。

速度测试又分为核心(Core)测试和速率测试。核心测试主要测试试验样品的核心运作,即是否能顺利实现原计划的目标功能。以半导体存储器为例,由于其主要功能是信息的存储,测试的重点便是有关信息存储单元的各项参数。速率测试则是测量样品的运作速率,验证产品是否能按照目标速度运作。随着对高速运转半导体产品需求的增加,速率测试目前正变得越来越重要。

运作模式测试细分为直流测试(DC Test)、交流测试(AC Test)和功能测试(Function Test):直流测试验证直流电流和电压参数;交流测试(AC Test)验证交流电流的规格,包括产品的输入和输出转换时间等运作特性;功能测试则验证其逻辑功能是否正确运作。以半导体存储器为例,功能测试就是指测试存储单元(Memory cell)与存储器周围电路逻辑功能是否能正常运作。

#3 晶圆测试

晶圆测试的对象是晶圆,而晶圆由许多芯片组成,测试的目的便是检验这些芯片的特性和品质。为此,晶圆测试需要连接测试机和芯片,并向芯片施加电流和信号。

完成封装的产品会形成像锡球(Solder Ball)一样的引脚(Pin),利用这些引脚可以轻而易举完成与测试机的电气连接。但在晶圆状态下,连接两者就需要采取一些特殊的方法,比如探针卡(Probe Card)。

如图2所示,探针卡是被测晶圆和测试机的接口,卡上有很多探针2可以将测试机通讯接口和晶圆的焊盘直接连接起来,卡内还布置了很多连接探针与测试机的连接线材。探针卡固定在测试头上,晶圆探针台通过使探针卡与晶圆焊盘点精准接触,完成测试。

2探针: 与晶圆焊盘进行电气连接和直接接触的针状物。

▲ 图2 : 晶圆测试系统模式图(ⓒ HANOL出版社/photograph.Formfactor)

将晶圆正面朝上装载后,再把图2右侧的探针卡反过来使针尖朝下,实现与晶圆焊盘的准确对位。这时,温度调节设备根据测试所需温度条件,施加相应温度。测试系统通过探针卡传送电流和信号,并导出芯片讯号,从而读取测试结果。

探针卡要根据被测芯片的焊盘布局和晶圆芯片排布制作,即探针与被测晶圆焊盘布局要一致。而且,要按照芯片排列,反复排布探针。其实,在实际操作中,仅凭一次接触是无法测试晶圆的所有芯片的。因此,在实际量产过程中要反复接触2~3次。

一般来讲,晶圆测试依次按照“电气参数监控(EPM) → 晶圆老化(Wafer Burn in) → 测试 → 维修(Repair) → 测试”顺序进行。下面,我们来详细讲解一下晶圆测试的具体工序。

◎ 电气参数监控(EPM,Electrical Parameter Monitoring)

测试可以筛选出不良产品,又可以反馈正在研发或量产中的产品缺陷,从而进行改善。相比而言,电气参数监控的主要目的是后者,即通过评价分析产品单位元件的电气特性,对晶圆的制作工序提供反馈。具体来说,就是在进入正式晶圆测试前,采用电学方法测量晶体管的特性和接触电阻,验证被测产品是否满足设计和元件部门提出的基本特性。从测试的角度来看,就是利用元件的电学性能提取直流参数(Parameter),并监控各单位元件的特性。

◎ 晶圆老化(Wafer Burn in)

▲ 图3:产品使用时间与不良率(ⓒ HANOL出版社)

图3以时间函数揭示了产品生命周期中的不良率 [曲线呈现出如同浴缸的形状,故被称作浴盆曲线(Bath-Tub Curve)] :早期失效(Early failure)期,产品因制作过程中的缺陷所导致的失效率较高;制造上的缺陷消失后,产品进入偶然失效(Random failure)期,在此期间,产品的失效率降低;产品老化磨损后进入耗损(Wear out)失效期,失效率明显再次上升。可见,如果完成产品后立即提供给客户,早期失效会增加客户的不满,造成退货等产品问题的可能性也很大。

“老化(Burn in)”的目的就是为识别产品的潜在缺陷,提前发现产品的早期失效状况。晶圆老化是在晶圆产品上施加温度、电压等外界刺激,剔除可能发生早期失效的产品的过程。

◎ 晶圆测试

在晶圆老化(Wafer Burn in)测试剔除早期失效产品后使用探针卡进行晶圆测试。晶圆测试是在晶圆上测试芯片电学性能的工序。其主要目的包括:提前筛选出不良芯片、事先剔除封装/组装3过程中可能产生的不良产品并分析其原因、提供工序反馈信息,以及通过晶圆级验证(Wafer Level Verification)提供元件与设计上的反馈等。

在晶圆测试中筛选出的部分不良单元4,将会在我们下面要讲到的维修(Repair)过程中被备用单元(Redundancy cell)替换。为测试这些备用单元是否能正常工作,以及芯片能否成为符合规格的良品,在维修工序后,必须重新进行一次晶圆测试。

3组装 : 与基板或系统实现电气或直接连接、