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IC制作过程和分工说明

一、IC的制作:

IC的制作分为三大块:1、IC的设计。2、晶圆的制造。3、封装

大家知道,随着科学技术的发展和不断提高,我们现在卖的芯片在我们的生活中无处不在,和我们的生活息息相关。举个例子来说吧,大到宇宙飞船,人造卫星,小到我们家里的电动玩具,里面都有芯片的存在。这就体现了芯片对人类生活的重要性。

一个产品,一般都要经过如下几个过程,从设计开发到制造,最后到用户手上。我们处在IC这个行业中,也是一样的。虽然我们现在仅仅是在销售这个环节上,但我看来,我们应该对整个IC的产生的过程都要有所了解。

IC这个制造过程我们可以把它分为上,中,下三游。上游是IC设计,(包括逻辑设计,电路设计和图形设计);中游是光刻(或光造)和晶圆的制造;下游是封装和成品测试;其中中游这一块即晶圆的制造是技术工艺最复杂,投资最大的地方,因此很多设计厂商都会拿到专门的晶圆制造厂去制造芯片。

在台湾有2个较大的晶圆制造厂(晶圆代工厂),一个是台积电(台湾积体电路制造股份有限公司),另一个是台联电。其中台积电是世界上最大的晶圆制造厂。在中国大陆也有一个很大的晶圆制造厂,即中芯国际,计划在北京也要投资一个12英寸的晶圆制造厂,这表示了我国的晶圆制造工艺水平正在一步步走向成熟。

IC设计与制版

1、IC的设计:设计分为三个阶段:逻辑设计,电路设计,图形设计

(1)功能描述

要完成一个完整的集成电路芯片,首先要对这一个芯片做完整的功能描述。例如现在我们要设计一个全自动雨阳蓬,当下雨时,或者有异物落在雨阳蓬上时,它能自动从外收回关紧门窗,防止外界物体弄脏房间,那么就根据这个功能的描述,来设计我们的电路图,并让它达到最佳的性能(因为一般功能都可以达到,但是有时候个别参数不一样的话,性能可能就达不到最佳了)。

(2)逻辑设计(以二进制为原理的数字电路)

逻辑设计之目的是用已有的基本逻辑单元,将描述电路功能的数学函数进一步的具体化,使所有的功能描述皆能以实际可执行的电路模块来完成,并要经过检验,确定所设计的逻辑没有问题。

(3)电路模拟分析

逻辑设计完成后,接着要将每一个逻辑单元,转化成实际的电路组件符号(就是电阻,电容之类的),再将这些组件符号进行组合,形成真正的电路,再进行一次检测(这时会有一个检测结果)。

(4)电路布局

所谓电路布局,实际上就是做电路分析及半导体制程的中间桥梁,具个例子,就是一个房子它分厨房,卫生间,卧室等,设计师需要将这些“组件”进行布局,使房子的功能达到最佳的效果,比如具有通风好,光线好,凉台多用化之类的性能。当我们做完电路布局后,还要利用电脑辅助设计[CAD]程序,检测电路布局是否有缺失,检测的结果和先前由所验算的结果是否一致(步骤3的结果),如果不一致,就有可能是把厨房做到卫生间去了,则需要再次进行电路模拟分析,再到电路布局。当结果正确后,便可将定案之电路布局送去制作光罩(就是下面所谈到了光学掩模板),设计便完成了。

(5)制版

首先,制版(光学掩模板)的目的是为了利用光刻机把电脑上的图案通过曝光技术印到WAFER的表面,制版的原理就跟我们小时候玩的一个小试验相似-------放大镜利用太阳能使火柴棒燃烧,天上的太阳就相当于我们的光刻机,手中的放大镜就相当于我们的光学掩模板,下面的火柴相当于WAFER,不同点在于放大镜是利用太阳能使火柴燃烧,光学掩模板是利用光刻机使WAFER表面形成图案,相信这样比喻大家应该明白这三者是怎样的关系了。光学掩模板的成本也很高,主要成分是一种感光乳剂,是一种化学物质,光学掩模板也叫铬板,之所以主要成分选它,除了因为它具有感光特性以外,它还可以减少对晶圆的损坏,因为成本较高,一般都是几个厂家一起制一块试验板,测试成功了才会制正式板,接着才会正式投入使用。
2、WaferProcess晶圆制造

大家都知道硅是一种半导体,它可以通电也可以绝缘,在芯片的生产中大多数的人选择用硅来做为原料,为什么呢?因为硅的价格便宜,而其它金属的价格要贵。那么硅为什么会便宜呢?

是因为硅是世界上第二丰富的元素,分布广,它占整个地壳的四分之一,连我们平时随处可见的沙子里面都含有硅。硅虽然很多,含有的杂质也多,硅矿石也很粗糙,要经过提炼才能成为单晶硅。那晶园制造厂怎么来提炼单晶硅呢?

先要将硅矿提炼成多晶硅,再将多晶硅放入石英炉里。同时用加热器将石英炉加热,让多晶硅慢慢的融化,等到多晶硅充分融化后便在石英炉中插入一根石英棒慢慢的将纯净的单晶硅从石英炉中拉出来,让其冷却。这个过程就有点象我们小的时候吃转转糖时会看到的情形。首先将黄糖放入锅中加热,糖就会慢慢的软化成为很有粘性的物质,再用跟棍子插入锅中将糖慢慢的拎出来,冷却后从棍端到锅中间就会形成一个糖柱。那么单晶硅被拉出来后也就形成了个圆柱状。但因为惧怕灰尘的颗粒导致生产的芯片失去效力。整个制作过程是需要在洁净室完成的。而被拉出来的单晶硅还是不规则的还需要打磨。打磨后还要用金刚石将它切割成一定的厚度后,这之后就形成了WAFER。

那么晶圆为什么会得到这么个名字呢,其实很简单就是因为经过切割后它形状象个圆形,故被叫做晶原或是硅晶圆片,谈到晶圆,有两个因素是必需要提及的,一个是线宽:现在在芯片的制作中线宽小到了微米,线宽越小,能连接的元器件就越多,因此实现的功能就越强大。

晶圆的直径:晶圆的直径越大,同一晶圆上可以制成的IC就越多,成本就可以降低。现在有生产4英寸的晶圆,6英寸的晶圆,8英寸的晶圆和12英寸的晶圆。目前在中国能生产12英寸的晶圆的厂家在台湾,一个是台积电(台湾积体电路制造股份有限公司),另一个是台联电。大陆中兴国际目前也具备生产12英寸的晶圆的能力,正积极准备在北京建厂生产。虽然晶圆的直径越大,同一晶圆上可以制成的IC就越多,但是同时对材料技术和生产技术的要求更高。
A、生产晶圆的厂家可以不是原设计的厂家

如果客户说他收到的片子上显示的厂家和这个被解剖开的晶圆上的厂家不是一致的,我们也可以跟他解释说片子外观上的是封装厂(既原设计厂)的代码,而这个晶圆上的是晶圆生产厂的代码,生产晶圆的厂家可以不是原设计的厂家,因此这不能证明任何问题。如果客户扯到片子的型号标识不一样,我们也可以告诉客户片子上的型号标识是封装厂(既原设计厂)注明的,而晶圆上的可以是晶圆生产厂的版权专利标识,因此这个不一样也是很正常的。并不能说明我们发给客户的货不是原厂出的。

B、生产晶圆的厂家也未必是封装晶圆的厂家

如果客户说这个晶原上的D/C和我们发给客户的D/C不一致,我们可以解释:片子的外观上所看到的批号是封装时的D/C,而这个晶圆上所看到的批号则是晶圆生产时的批号,生产了晶圆后过段时间拿去封装,是完全合乎情理的。这并不能说明什么。

IC的制造流程:

晶圆:晶圆就是单晶硅圆片,由普通的硅色拉制提炼而成,是最常见的半导体材料。按其直径分为4英寸、6英寸和8英寸,近年发展了12英寸甚至更大规格。晶圆越大,同一圆片上可安排的集成电路就越多,可降低成本,但要求的材料技术和生产技术更高。

1)表面清洗:

晶圆表面附着一层大约2um的Al2O3和甘油混合液保护之,在制作前必须进行化学刻蚀和表面清洗。

2)初次氧化有热氧化法生成SiO2缓冲层,用来减小后续中Si3N4对晶圆的应力氧化技术-----干法氧化&湿法氧化

3)CVD(ChemicalVapordeposition)法沉积一层Si3N4(HotCVD或LPCVD)。

(1)、常压CVD(NormalPressureCVD)(2)、低压CVD(LowPressureCVD)(3)、热CVD(HotCVD)/(thermalCVD)(4)、电浆增强CVD(PlasmaEnhancedCVD)

(5)、MOCVD(MetalOrganicCVD)&分子磊晶成长(MolecularBeamEpitaxy)

(6)、外延生长法(LPE)

4)涂敷光刻胶

光刻制造过程中,往往需采用20-30道光刻工序,现在技术主要采有紫外线(包括远紫外线)为光源的光刻技术。光刻工序包括翻版图形掩膜制造,硅基片表面光刻胶的涂敷、预烘、曝光、显影、后烘、腐蚀、以及光刻胶去除等工序。

(1)光刻胶的涂敷

(2)预烘(prebake)

(3)曝光

(4)显影

(5)后烘(postbake)

(6)腐蚀(etching)--1湿法腐蚀&2干法腐蚀3同步辐射(SOR:synchrotronorbitalradiation)X线光刻技术

(7)光刻胶的去除

5)将氮化硅去除

6)离子布植将硼离子(B+3)透过SiO2膜注入衬底,形成P型阱

7)去除光刻胶,放高温炉中进行退火处理

以消除晶圆中晶格缺陷和内应力,以恢复晶格的完整性。

8)用热磷酸去除氮化硅层,掺杂磷(P+5)离子,形成N型阱

9)退火处理,然后用HF去除SiO2层

10)干法氧化法生成一层SiO2层,然后LPCVD沉积一层氮化硅

11)利用光刻技术和离子刻蚀技术,保留下栅隔离层上面的氮化硅层

12)湿法氧化,生长未有氮化硅保护的SiO2层,形成PN之间的隔离区

13)热磷酸去除氮化硅,然后用HF溶液去除栅隔离层位置的SiO2,并重新生成品质更好SiO2薄膜,作为栅极氧化层。

14)LPCVD沉积多晶硅层,然后涂敷光阻进行光刻,以及等离子蚀刻技术,栅极结构,并氧化生成SiO2保护层。

15)表面涂敷光阻,去除P阱区的光阻,注入砷(As)离子,形成NMOS的源漏极。用同样的方法,在N阱区,注入B离子形成PMOS的源漏极。

16)利用PECVD沉积一层无掺杂氧化层,保护组件,并进行退火处理。

17)沉积掺杂硼磷的氧化层

18)溅镀第一层金属

19)光刻技术定出VIA孔洞,沉积第二层金属,并刻蚀出连线结构。然后,用PECVD法氧化层和氮化硅保护层

20)光刻和离子刻蚀,定出PAD位置

21)最后进行退火处理,以保证整个Chip的完整和连线的连接性

3、IC的封装与测试。

芯片的封装

IC封装的定义---------是由半导体集成电路(IntergratedCircult,IC)与其它相关电子组件,经过数道程序与产品(零件)的组装构成,使其在适宜的环境下,发挥系统设计功能,整个流程即称之为封装(PACKAGE)。

封装的主要目的---------在于“传递电能”,“传递电路迅号”,“提供散热途径”与“机械承载与保护”。在封装的时候,交由封装厂进行封装。这里的封装厂就不像前面必须一一对应了。可以有很多家。由他们指把一个个能完成设计电路功能的裸露小芯片电路管脚,用引线接引到外部接头处,以便与其它器件连接。它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电器性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁。因此,封装对于集成电路来说起着重要的作用。有些为避免增加费用,使用软包装。在这个环节,可能会出现封装是同一批号,但晶圆不是同一批号的。

怎样衡量一个芯片封装技术是否先进呢?首先,要看芯片面积与封装面积之比,其比值越接近1越好。当然这个比值永远也不可能等于1,那应该称作“裸晶”。例如以采用40引脚的塑封双列直插式封装(PDIP)的CPU为例,其芯片面积/封装面积=3×3/15.24×50=1/85,离1相差很远。不难看出,这种封装尺寸远比芯片大,说明封装效率很低,占去了很多有效安装面积。接着要看引脚的设计。理论上来说引脚要尽量的短,以减少信号延迟;引脚间的距离要尽量远,以保证互不干扰。但随着晶体管集成的数量越来越庞大,单一芯片中附加的功能越来越多,引脚的数目正在与日俱增,其间距也越来越小。引脚的数量从几十,逐渐增加到几百,今后5年内可能达2000。基于散热的要求,封装越薄越好。随着芯片集成度的提高,芯片的发热量也越来越大。除了采用更为精细的芯片制造工艺以外,封装设计的优劣也是至关重要的因素。设计出色的封装形式可以大大增加芯片的各项电器性能。如比较小的阻抗值、较强的抗干扰能力、较小的信号失真等。
封装就是安装半导体集成电路芯片用的外壳。因为芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电路性能下降,所以封装是至关重要的。封装后的芯片也更便于安装和运输。封装的这些作用和包装是基本相似的,但它又有独特之处。封装不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电路性能的作用,而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁--芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印制板上的导线与其它器件建立连接。因此,封装对CPU和其它大规模集成电路都起着重要的作用。随着CPU和其它大规模电路的进步,集成电路的封装形式也将有相应的发展。芯片的封装技术已经历了好几代的变迁,技术指标一代比一代先进,芯片面积与封装面积之比(衡量封装技术水平的主要指标)越来越接近于1,适用频率越来越高,耐温性能也越来越好。它还具有重量小,可靠性高,使用方便等优点。