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神奇!芯片的制造工艺简介

原标题:神奇!芯片原来是这样诞生哒!

 

一般芯片制造工艺流程

 

导读:在芯片越来越多的应用于汽车各种零部件上之后,对于主机厂的一个非电子专业出身的工程师也不得不面对形形色色的芯片了。最基本的芯片制造工艺也就变成了每一个工程师的常备知识库。特此整理此文,希望大家能够对芯片的制造工艺有个基本的认识。

 

芯片(IC)一般是指集成电路的载体,也是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果。那么一颗芯片是如何制造出来的呢?先让我们从一个宏观的角度做个类比说明:

 

 

集成电路(IC)的制造流程,犹如一场精致细密的建筑结构施工。建筑师(Designer & Device Owner)将设计蓝图(LayOut)和施工流程(Process Flow)设计出来,经过工程部门(模块Module)制定施工法则(Setup Process)后,交由施工单位(制造部 MFG)来执行建筑工事。

 

 

空白的硅晶圆就像一块平整的大工地,经过不断的整地(平坦化;离子植入),灌浆混沙填土上钢架(薄膜沉积),再经过砌墙挖坑打洞筑沟(显影&蚀刻)等重复的制程(Process),一层一层堆栈而上,制作成拥有复杂结构和完善功能的集成电路。

 

 

想必到这里,各位看官就对芯片有了一定的基本了解。下面让我们深入芯片制造的各个环节来一起揭开其神秘面纱。

 

芯片制造工艺流程

 

1. 首先搞到一块圆圆的硅晶圆, (就是一大块晶体硅, 打磨的很光滑, 通常是圆的)

 

 

2. 离子注入:一般来说, 先对整个衬底注入少量(10^10 ~ 10^13 / cm^3 P型物质(最外层少一个电子),作为衬底。

 

3. 光刻:先加入Photo-resist 保护住不想被蚀刻的地方

 

4. 光刻:上掩膜! (就是那个标注Cr的地方。中间空的表示没有遮盖,黑的表示遮住了。)

 

5. 光刻:紫外线照上去,下面被照得那一块就被反应了

 

 

6. 光刻:撤去掩膜

 

7. 光刻:把暴露出来的氧化层洗掉, 露出硅层(就可以注入离子了)

 

8. 光刻:把保护层撤去。 这样就得到了一个准备注入的硅片。这一步会反复在硅片上进行(几十次甚至上百次)。用紫外线透过蒙版照射硅晶圆, 被照到的地方就会容易被洗掉, 没被照到的地方就保持原样。 于是就可以在硅晶圆上面刻出想要的图案。 注意, 此时还没有加入杂质, 依然是一个硅晶圆。

 

9. 离子注入:然后光刻完毕后, 往里面狠狠地插入一块少量(10^14 ~ 10^16 /cm^3 注入的N型物质就做成了一个N-well N-井)

 

10. 干蚀刻:用干蚀刻把需要P-well的地方也蚀刻出来,也可以再次使用光刻刻出来

 

11. 热处理:上图将P-型半导体上部再次氧化出一层薄薄的二氧化硅。

 

12. 分子束外延:用分子束外延处理长出的一层多晶硅,该层可导电。

 

13. 进一步的蚀刻,做出精细的结构。(再退火以及部分CVD)重复3-8光刻 + 湿蚀刻(用的是试剂, 所以叫湿蚀刻)

 

14. 离子注入:再次狠狠地插入大量(10^18 ~ 10^20 / cm^3 注入的P/N型物质,此时注意MOSFET已经基本成型。在硅晶圆不同的位置加入不同的杂质, 不同杂质根据浓度/位置的不同就组成了场效应管。

 

15. 化学气相积淀:用气相积淀 形成的氮化物层。

 

16. 光刻 + 湿蚀刻:将氮化物蚀刻出沟道。

 

17. 物理气相积淀:物理气相积淀长出金属层。

 

 

18. 将多余金属层蚀刻。光刻 + 湿蚀刻重复 17-18 次长出每个金属层。

 

图示的为5层金属层的未封装IC

 

 

 

19. IC测试:测试,并自动将有缺陷的IC做标记,避免下道工序使用。

 

 

20. 切割和组装:良好的晶粒会被从晶圆上切割下来,放置在塑料或者陶瓷的芯片基座上。

21. 经线焊接:把精力上蚀刻出的引接线段与基座底部伸出的插脚连接,以作与外界电路板连接用。最后盖上塑胶盖板,用胶水封住。

 

 

22. 最终测试:将封装后的芯片置于各种环境下测试其电气特性,如消耗功率、运行速度、耐压度等。

 

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