微处理器工艺及其电性能测试技术.docx

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微处理器工艺及其电性能测试技术

微处理器工艺及其电性能测试技术

摘要：

半导体产业向前迈进的重要一步是将多个电子元件集成在一个硅衬底上，被称为集成电路或简称IC。

而进入二十一世纪以来，随着人类对集成电路的深入认识和广泛应用，带来了世界经济与技术的飞速发展和社会的深刻变革，它正日益改变着人们的生活方式和交流方式，人类由此进入了一个新的信息化文明时代，其中以微处理器为核心的集成电路（IC）技术向来是信息产业的两大核心技术之一，是现代信息技术的“心脏”。

但其超高的集成度无疑对工艺制造及可靠性检测都是一项挑战，就此本文将简述微处理器的封装测试技术并就电性能测试做详细介绍。

关键字：

集成电路，微处理器，电性能测试

Abstract：

Thesemiconductorindustrymakesgreatstridesforwardimportantlyonestepisforwardmanyelectroniccomponentintegrationonasiliconsubstrate,iscalledtheintegratedcircuitoriscalledIC.Butsincehasenteredforthe21stcentury,alongwiththehumanitytotheintegratedcircuitthoroughunderstandingandthewidespreadapplication,hasbroughttheworldeconomicsandthetechnicalrapiddevelopmentandsociety'sprofoundtransformation,itischangingpeople'slifestyleandtheexchangeway,thehumanityfromthisenteredanewinformationizationcivilizedtime,inwhichtakethemicroprocessorasthecoreintegratedcircuit（IC）technologyalwaysisdaybydayinformationindustriesoneoftwobigcoretechnologies,isthemoderninformationtechnology“theheart”.Butitssuperelevationintegrationratetothecraftmanufactureandthereliableexaminationallisachallengewithoutdoubt,thisarticlewillsummarizethemicroprocessorsealtesttechnologyinlightofthisandmakesthedetailedintroductionontheelectricityperformancetest.

Keywords:

IC,Microprocessor,Electricityperformancetest

目录

第一章集成电路芯片概述··································3

1.1集成电路简介···············································3

1.1.1集成电路的概念及分类··································3

1.1.2集成电路的发展史······································3

1.1.3我国半导体产业现状····································7

第二章微处理器制造工艺技术······························9

2.1材料及制备·················································9

2.11制备单晶硅·············································9

2.12晶圆工艺···············································10

2.2微处理器制造工艺展望·······································12

2.2.1不断进步的工艺········································12

2.2.2CPU制造前进方向·······································15

2.2.3晶体管的革命，IntelVSAMD···············20

第三章微处理器封装测试技术······························24

3.1微处理器封装技术···········································24

3.1.1封装的概念············································24

3.1.2微处理器封装技术及其分类······························24

第四章微处理器电性能测试技术····························31

4.1微处理器电性能测试·········································31

4.1.1电性能测试的概念及作用································31

4.1.2电性能测试设备········································32

4.1.3电性能测试流程········································34

第五章结论··············································40

参考文献··················································41

谢词······················································41

第一章集成电路芯片概述

1.1集成电路简介

1.1.1集成电路的概念及分类

图1.1各种不同功能的集成电路

集成电路（图1.1）是指半导体集成电路，即以半导体晶片材料为主，经加工制造，将无源元件、有源元件和互连线按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路集成在基片内部、表面或基片之上，执行某种电子功能的微型化电路，图1是目前较为常见的各式封装种类和功能的集成电路。

集成电路的分类

一、按电路功能分类

分为以门电路为基础的数字逻辑电路和以放大器为基础的线性电路，还有微波集成电路和光集成电路等。

二、按构成集成电路基础的晶体管分类

分为双极型集成电路和MOS型集成电路两大类。

前者以双极型平面晶体管为主要器件；后者以MOS场效应晶体管为基础。

1、双极型电路

晶体管-晶体管逻辑（TTL）电路、高速发射极耦合逻辑（ECL）电路、高速低功耗肖特基晶体管-晶体管逻辑电路（SLTTL）及集成注入逻辑电路（I2L）等。

2、MOS型电路

N沟道MOS电路（NMOS）、P沟道MOS电路（PMOS）、互补MOS电路（CMOS）、（bi-CMOS）

及DMOS、VMOS电路等。

三．按用途分类

　　集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑（微机）用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、路及各种专用集成电路。

照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电

四．按应用领域分

集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。

五．按外形分

　　集成电路按外形可分为圆形（金属外壳晶体管封装型,一般适合用于大功率）、扁平型（稳定性好,体积小）和双列直插型.

上述各类集成电路中，制造工序各异，但其基本的制造工艺是共同的。

1.1.2集成电路发展简史

1.世界集成电路的发展历史

肖克莱巴丁布拉坦

图1.2

　　1947年：

贝尔实验室肖克莱等人（图1.2）发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑；

　　1950年：

结型晶体管诞生，ROhl和肖特莱发明了离子注入工艺；

　1951年：

场效应晶体管发明；

　　1956年：

CSFuller发明了扩散工艺；

图1.3世界上第一块集成电路

1958年：

仙童公司RobertNoyce与德仪公司基尔比间隔数月分别发明了集成电路（图1.3），开创了世界微电子学的历史；

1960年：

HHLoor和ECastellani发明了光刻工艺；

　　1962年：

美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管；

　　1963年：

F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺；

1964年：

Intel摩尔提出摩尔定律，预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍；

　1966年：

美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50门）；

　1971年：

Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现；

　　1971年：

全球第一个微处理器4004（图1.4）由Intel公司推出，采用的是MOS工艺，这是一个里程碑式的发明；

图1.4全球第一块微处理器4004

　　1974年：

RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802；

　　1976年：

16kbDRAM和4kbSRAM问世；

　　1978年：

64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临；

图1.6微处理器8008

1979年：

Intel推出5MHz8088微处理器（图1.5）之后，IBM基于8088推出全球第一台PC；

1981年：

256kbDRAM和64kbCMOSSRAM问世；

　　1984年：

日本宣布推出1MbDRAM和256kbSRAM；

　　1985年：

80386（图1.1.7）微处理器问世，20MHz；

　　1988年：

16MDRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（ULSI）阶段；

　　1989年：

1MbDRAM进入市场；

　　1989年：

486微处理器（图1.1.8）推出，25MHz，1μm工艺，后来50MHz芯片采用0.8μm工艺；

　　1992年：

64M位随机存储器问世；

　　1993年：

66MHz奔腾处理器推出,采用0.6μｍ工艺；

　　1995年:

PentiumPro（图1.1.9）,133MHz，采用0.6-0.35μｍ工艺；

图1.9PentiumPro

　　1997年：

300MHz奔腾Ⅱ问世,采用0.25μｍ工艺；

　　1999年：

奔腾Ⅲ问世，450MHz，采用0.25μｍ工艺，后采用0.18μm工艺；

　　2000年:

1GbRAM投放市场；

　　2000年：

奔腾4问世，1.5GHz，采用0.18μｍ工艺；

　　2001年：

Intel宣布2001年下半年采用0.13μｍ工艺。

1.1.3我国半导体产业现状

中国的集成电路产业起步于1965年，先后经历了自主创业（1965年-1980年）、引进提高（1981年-1989年）和重点建设（1990年-1999年）三个发展阶段。

经过近40年的发展，从无到有，从小到大，不但在产业上初步形成了一定规模，而且在基础研究、技术开发、人才培养等方面都取得了较大成绩，特别是最近几年，国内集成电路产业得到比以往更为迅速的发展。

以2000年国务院18号文件颁布为标志，中国集成电路产业正在进入全面快速发展的新阶段。

回顾这40年的发展历程，特别是近20年来的发展，中国集成电路产业呈现出如下7个变化。

　　1.行业规模迅速扩大

　　2.产业链格局日渐完善

　　3.产业群聚效应日益凸现　

　　4.技术水平取得突破性发

　　5.投资瓶颈取得有效突破

　　6.产业环境日臻完善

　　7.人才培养和引进开始显现成果

　　　　在加大国内人才培养力度的同时，吸引留学海外人才回国创业也成为国内各地方政府和各家企业的重要举措。

2000年以来，海外大量学有所成的留学生和具备丰富经验的专业人员回国工作和创业。

这些人才的回流为国内集成电路产业的发展带来了先进的理论知识、国际化的管理经验和广阔的商业机会。

目前海外回国人员已经成为国内集成电路行业，特别是IC设计业的一支重要力量。

　　在充分肯定我国集成电路产业所取得的可喜变化的同时，我们也应清醒地看到，产业目前的高速发展仍无法满足市场需求的增长，国内市场所需产品的80%以上依然依赖进口。

此外，产业存在的许多深层次的问题，如企业市场竞争力弱、核心技术受制于人、专业人才严重短缺、知识产权保护仍有待加强等诸多问题依然存在。

因此，中国集成电路产业发展仍任重道远，需要各方面的继续努力。

　　但我们相信，在巨大且不断增长的国内市场需求的带动下，在中央及地方各级政府的高度重视和支持下，在行业同仁们持之以恒地努力下，中国集成电路产业必将迎来更为美好的明天。

第二章微处理器制造工艺技术

CPU的制造是一项极为复杂的过程，当今世上只有少数几家厂商具备研发和生产CPU的能力。

CPU的发展史也可以看作是制作工艺的发展史。

几乎每一次制作工艺的改进都能为CPU发展带来最强大的源动力，无论是Intel还是AMD，制作工艺都是发展蓝图中的重中之重。

要了解CPU的生产工艺，我们需要先知道CPU是怎么被制造出来的。

让我们分几个步骤学习CPU的生产过程。

2.1材料及制备

1.制备单晶硅

图2.1拉单晶

生产CPU等芯片的材料是半导体，现阶段主要的材料是硅Si，这是一种非金属元素，从化学的角度来看，由于它处于元素周期表中金属元素区与非金属元素区的交界处，所以具有半导体的性质，适合于制造各种微小的晶体管，是目前最适宜于制造现代大规模集成电路的材料之一。

在硅提纯的过程中，原材料硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔炉。

这时向熔炉里放入一颗晶种，以便硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅（图2.1）。

以往的硅锭的直径大都是200毫米，而CPU厂商正在增加300毫米晶圆的生产。

2.制备晶圆片

图2.2单晶棒和晶圆片

硅锭造出来了，并被整型成一个完美的圆柱体，接下来将被切割成片状，称为晶圆（图2.2）。

晶圆才被真正用于CPU的制造。

所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区

域，每个区域都将成为一个CPU的内核（Die）。

一般来说，晶圆切得越薄，相同量的硅材料能够制造的CPU成品就越多。

2.2晶圆工艺

（1）影印（Photolithography）

图2.3印有电路的模板

图2.4晶圆刻蚀

在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻（Photoresist）物质，紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板（图2.3）照射硅基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。

而为了避免让不需要被曝光的区域也受到光的干扰，必须制作遮罩来遮蔽这些区域。

这是个相当复杂的过程，每一个遮罩的复杂程度得用10GB数据来描述。

（2）蚀刻（Etching）

这是CPU生产过程中重要操作，也是CPU工业中的重头技术。

蚀刻技术把对光的应用推向了极限。

蚀刻使用的是波长很短的紫外光并配合很大的镜头。

短波长的光将透过这些石英遮罩的孔照在光敏抗蚀膜上，使之曝光。

接下来停止光照并移除遮罩，使用特定的化学溶液清洗掉被曝光的光敏抗蚀膜，以及在下面紧贴着抗蚀膜的一层硅。

然后，曝光的硅将被原子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，以制造出N井或P井，结合上面制造的基片，CPU的门电路就完成了。

（3）重复、分层

图2.5立体结构的CPU内部多层电路结构

为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。

重复多遍，形成一个3D的结构（图2.5），这才是最终的CPU的核心。

每几层中间都要填上金属作为导体。

Intel的Pentium4处理器有7层，而AMD的Athlon64则达到了9层。

层数决定于设计时CPU的布局，以及通过的电流大小。

（4）封装

这时的CPU是一块块晶圆，它还不能直接被用户使用，必须将它封入一个陶瓷的或塑料的封壳中，这样它就可以很容易地装在一块电路板上了。

封装结构各有不同，但越高级的CPU封装也越复杂，新的封装往往能带来芯片电气性能和稳定性的提升，并能间接地为主频的提升提供坚实可靠的基础。

图2.6对晶圆上每一块芯片进行测试

（5）多次测试

测试是一个CPU制造的重要环节，也是一块CPU出厂前必要的考验。

这一步将测试晶圆的电气性能，（图2.6）以检查是否出了什么差错，以及这些差错出现在哪个步骤（如果可能的话）。

接下来，晶圆上的每个CPU核心都将被分开测试。

由于SRAM（静态随机存储器，CPU中缓存的基本组成）结构复杂、密度高，所以缓存是CPU中容易出问题的部分，对缓存的测试也是CPU测试中的重要部分。

每块CPU将被进行完全测试，以检验其全部功能。

某些CPU能够在较高的频率下运行，所以被标上了较高的频率；而有些CPU因为种种原因运行频率较低，所以被标上了较低的频率。

最后，个别CPU可能存在某些功能上的缺陷，如果问题出在缓存上，制造商仍然可以屏蔽掉它的部分缓存，这意味着这块CPU依然能够出售，只是它可能是Celeron等低端产品。

当CPU被放进包装盒之前，一般还要进行最后一次测试，以确保之前的工作准确无误。

根据前面确定的最高运行频率和缓存的不同，它们被放进不同的包装，销往世界各地。

2.2微处理器制造工艺展望

2.2.1不断进步的生产工艺

图2.7比硬币还小的Atom处理器

随着生产工艺的进步，CPU越做越小的，性能不断增强儿功耗却越来越低，现在的工艺技术已经可以将CPU做的比一枚硬币还要小了，（图2.7）诚然提高晶圆尺寸和提高蚀刻精度可以让CPU容纳更多的晶体管，同时也维护着摩尔定律。

但在0.18mm工艺后，由于漏电等其他原因引起的功耗、发热等因素，要想继续提高这两项工艺变得越来越艰难！

生产工艺这4个字到底包含些什么内容，这其中有多少高精尖技术的汇聚，CPU生产厂商是如何应对的呢？

下文将根据上面CPU制造的7个步骤展开叙述，让我们一起了解当今不断进步的CPU生产工艺。

（1）晶圆尺寸

图2.8不同尺寸的晶圆片

硅晶圆尺寸（图2.8为现在主流的几种尺寸的晶圆）是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。

硅晶圆尺寸越大越好，因为这样每块晶圆能生产更多的芯片。

比如，同样使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心，300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2.25倍，出产的处理器个数却是后者的2.385倍，并且300mm晶圆实际的成本并不会比200mm晶圆来得高多少，因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。

然而，硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增加硅晶圆的尺寸，那就是在晶圆生产过程中，离晶圆中心越远就越容易出现坏点。

因此从硅晶圆中心向外扩展，坏点数呈上升趋势，这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。

总的来说，一套特定的硅晶圆生产设备所能生产的硅晶圆尺寸是固定的，如果对原设备进行改造来生产新尺寸的硅晶圆的话，花费的资金是相当惊人的，这些费用几乎可以建造一个新的生产工厂。

不过半导体生产商们也总是尽最大努力控制晶圆上坏点的数量，生产更大尺寸的晶圆，比如8086CPU制造时最初所使用的晶圆尺寸是50mm，生产Pentium4时使用200mm的硅晶圆，而Intel新一代Pentium4Prescott则使用300mm尺寸硅晶圆生产。

300mm晶圆被主要使用在90纳米以及65纳米的芯片制造上。

（2）蚀刻尺寸

蚀刻尺寸是制造设备在一个硅晶圆上所能蚀刻的一个最小尺寸，是CPU核心制造的关键技术参数。

在制造工艺相同时，晶体管越多处理器内核尺寸就越大，一块硅晶圆所能生产的芯片的数量就越少，每颗CPU的成本就要随之提高。

反之，如果更先进的制造工艺，意味着所能蚀刻的尺寸越小，一块晶圆所能生产的芯片

就越多，成本也就随之降低。

比如8086的蚀刻尺寸为3μm，Pentium的蚀刻尺寸是0.80μm，而Pentium4的蚀刻尺寸当前是0.09μm（90纳米）。

目前

图2.9芯片内部刻蚀出的线条

Intel的300mm尺寸硅晶圆厂可以做到0.065μm（65纳米）的蚀刻尺寸。

此外，每一款CPU在研发完毕时其内核架构就已经固定了，后期并不能对核心逻辑再作过大的修改。

因此，随着频率的提升，它所产生的热量也随之提高，而更先进的蚀刻技术另一个重要优点就是可以减小晶体管间电阻，让CPU所需的电压降低，从而使驱动它们所需要的功率也大幅度减小。

所以我们看到每一款新CPU核心，其电压较前一代产品都有相应降低，又由于很多因素的抵消，这种下降趋势并不明显。

我们前面提到了蚀刻这个过程是由光完成的，所以用于蚀刻的光的波长就是该技术提升的关键。

目前在CPU制造中主要是采用2489埃和1930埃（1埃=0.1纳米）波长的氪/氟紫外线，1930埃的波长用在芯片的关键点上，主要应用于0.18微米和0.13微米制程中，而目前Intel是最新的90纳米制程则采用了波长更短的1930埃的氩/氟紫外线。

以上两点就是CPU制造工艺中的两个因素决定，也是基础的生产工艺。

（3）金属互连层

我们知道不同CPU的内部互连层数（图2.10）是不同的。

这和厂商的设计是有关的，但它也可以间接说明CPU制造工艺的水平。

这种设计没有什么好说的

了，Intel在这方面已经落后了，当他们在0.13微米制程上使用6层技术时，其他厂商已经使用7层技术了；而当Intel准备好使用7层时，IBM已经开始了8层技术；当Intel在Prescott中引人7层带有Lowk绝缘层

图2.10多层金属铜互连技术显微图片

的铜连接时，AMD已经用上9层技术了。

更多的互连层可以在生产上亿个晶体管的CPU（比如Prescott）时提供更高的灵活性。

我们知道当晶体管的尺寸不断减小而处理器上集成的晶体管又越来越多的时候，连接这些晶体管的金属线路就更加重要了。

特别是金属线路的容量直接影响信息传送的速度。

在90纳米制程上，Intel推出了新的绝缘含碳的二氧化硅来取代氟化硅酸盐玻璃，并同时表示这可以增加18%的内部互连效率。

2.2.2CPU制造工艺前进方向

图2.11CMOS栅极漏电流示意图

在现有常规工艺的支撑下，CPU很难再向前发展，并且遇到越来越多的障碍，接下来讨论CPU的继续发展方向。

目前存在着两种泄漏电流：

首先是门泄漏，这是电子的一种自发运动，由负极的硅底板通过管道流向正极的门；其次是通过晶体管通道的硅底板进行的电子自发从负极流向正