芯片制作流程分解說明

01

——

芯片制作流程

芯片制作完整過程包括：芯片設(shè)計、晶片制作、封裝制作、成本測試等幾個環(huán)節(jié)，其中晶片片制作過程尤為的復(fù)雜。下面圖示讓我們共同來了解一下芯片制作的過程，尤其是晶片制作部分。首先是芯片設(shè)計，根據(jù)設(shè)計的需求，生成的“圖樣”

1，芯片的原料晶圓，晶圓的成分是硅，硅是由石英沙所精練出來的，晶圓便是硅元素加以純化（99.999%），接著是將些純硅制成硅晶棒，成為制造集成電路的石英半導(dǎo)體的材料，將其切片就是芯片制作具體需要的晶圓。晶圓越薄，成產(chǎn)的成本越低，但對工藝就要求的越高。
2，晶圓涂膜晶圓涂膜能抵抗氧化以及耐溫能力，其材料為光阻的一種。

3，晶圓光刻顯影、蝕刻該過程使用了對紫外光敏感的化學(xué)物質(zhì)，即遇紫外光則變軟。通過控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蝕劑，使得其遇紫外光就會溶解。這是可以用上第一份遮光物，使得紫外光直射的部分被溶解，這溶解部分接著可用溶劑將其沖走。這樣剩下的部分就與遮光物的形狀一樣了，而這效果正是我們所要的。這樣就得到我們所需要的二氧化硅層。

4、攙加雜質(zhì)將晶圓中植入離子，生成相應(yīng)的P、N類半導(dǎo)體。具體工藝是是從硅片上暴露的區(qū)域開始，放入化學(xué)離子混合液中。這一工藝將改變攙雜區(qū)的導(dǎo)電方式，使每個晶體管可以通、斷、或攜帶數(shù)據(jù)。簡單的芯片可以只用一層，但復(fù)雜的芯片通常有很多層，這時候?qū)⑦@一流程不斷的重復(fù)，不同層可通過開啟窗口聯(lián)接起來。這一點類似所層PCB板的制作制作原理。更為復(fù)雜的芯片可能需要多個二氧化硅層，這時候通過重復(fù)光刻以及上面流程來實現(xiàn)，形成一個立體的結(jié)構(gòu)。

5、晶圓測試經(jīng)過上面的幾道工藝之后，晶圓上就形成了一個個格狀的晶粒。通過針測的方式對每個晶粒進(jìn)行電氣特性檢測。一般每個芯片的擁有的晶粒數(shù)量是龐大的，組織一次針測試模式是非常復(fù)雜的過程，這要求了在生產(chǎn)的時候盡量是同等芯片規(guī)格構(gòu)造的型號的大批量的生產(chǎn)。數(shù)量越大相對成本就會越低，這也是為什么主流芯片器件造價低的一個因素。

6、封裝將制造完成晶圓固定，綁定引腳，按照需求去制作成各種不同的封裝形式，這就是同種芯片內(nèi)核可以有不同的封裝形式的原因。比如：DIP、QFP、PLCC、QFN 等等。這里主要是由用戶的應(yīng)用習(xí)慣、應(yīng)用環(huán)境、市場形式等外圍因素來決定的。

7、芯片制造的最后一道工序為測試，其又可分為一般測試和特殊測試，前者是將封裝后的芯片置于各種環(huán)境下測試其電氣特性，如消耗功率、運行速度、耐壓度等。經(jīng)測試后的芯片，依其電氣特性劃分為不同等級。而特殊測試則是根據(jù)客戶特殊需求的技術(shù)參數(shù)，從相近參數(shù)規(guī)格、品種中拿出部分芯片，做有針對性的專門測試，看是否能滿足客戶的特殊需求，以決定是否須為客戶設(shè)計專用芯片。經(jīng)一般測試合格的產(chǎn)品貼上規(guī)格、型號及出廠日期等標(biāo)識的標(biāo)簽并加以包裝后即可出廠。而未通過測試的芯片則視其達(dá)到的參數(shù)情況定作降級品或廢品。

02

——

芯片制作流程分解說明

那么要想造個芯片，首先，你得畫出來一個長這樣的玩意兒給Foundry (外包的晶圓制造公司)▼

再放大▼

我們終于看到一個門電路啦! 這是一個NAND Gate(與非門)，大概是這樣▼

A, B 是輸入, Y是輸出

其中藍(lán)色的是金屬1層，綠色是金屬2層，紫色是金屬3層，粉色是金屬4層。那晶體管(“晶體管”自199X年以后已經(jīng)主要是 MOSFET, 即場效應(yīng)管了 ) 呢？仔細(xì)看圖，看到里面那些白色的點嗎？那是襯底，還有一些綠色的邊框？那些是Active Layer (也即摻雜層)。

Foundry是怎么做的呢? 大體上分為以下幾步:

首先搞到一塊圓圓的硅晶圓, (就是一大塊晶體硅, 打磨的很光滑, 一般是圓的)

圖片按照生產(chǎn)步驟排列. 但是步驟總結(jié)單獨寫出.

1、濕洗 (用各種試劑保持硅晶圓表面沒有雜質(zhì))

2、光刻 (用紫外線透過蒙版照射硅晶圓, 被照到的地方就會容易被洗掉, 沒被照到的地方就保持原樣. 于是就可以在硅晶圓上面刻出想要的圖案. 注意, 此時還沒有加入雜質(zhì), 依然是一個硅晶圓. )

3、 離子注入 (在硅晶圓不同的位置加入不同的雜質(zhì), 不同雜質(zhì)根據(jù)濃度/位置的不同就組成了場效應(yīng)管.)

4.1、干蝕刻 (之前用光刻出來的形狀有許多其實不是我們需要的，而是為了離子注入而蝕刻的?，F(xiàn)在就要用等離子體把他們洗掉，或者是一些第一步光刻先不需要刻出來的結(jié)構(gòu)，這一步進(jìn)行蝕刻).

4.2、濕蝕刻 (進(jìn)一步洗掉，但是用的是試劑， 所以叫濕蝕刻)—— 以上步驟完成后, 場效應(yīng)管就已經(jīng)被做出來啦，但是以上步驟一般都不止做一次, 很可能需要反反復(fù)復(fù)的做，以達(dá)到要求。

5、等離子沖洗 (用較弱的等離子束轟擊整個芯片)

6、熱處理，其中又分為：

6.1 快速熱退火 (就是瞬間把整個片子通過大功率燈啥的照到1200攝氏度以上, 然后慢慢地冷卻下來, 為了使得注入的離子能更好的被啟動以及熱氧化)

6.2 退火

6.3 熱氧化 (制造出二氧化硅, 也即場效應(yīng)管的柵極(gate) )

7、化學(xué)氣相淀積(CVD)，進(jìn)一步精細(xì)處理表面的各種物質(zhì)

8、物理氣相淀積 (PVD)，類似，而且可以給敏感部件加coating

9、分子束外延 (MBE) 如果需要長單晶的話就需要。

10、電鍍處理

11、化學(xué)/機(jī)械表面處理

12、晶圓測試

13、晶圓打磨就可以出廠封裝了。

再通過圖示來一步步看▼

1、上面是氧化層, 下面是襯底(硅)——濕洗

2、一般來說, 先對整個襯底注入少量(10^10 ~ 10^13 / cm^3) 的P型物質(zhì)(最外層少一個電子)，作為襯底——離子注入

3、先加入Photo-resist, 保護(hù)住不想被蝕刻的地方——光刻

4、上掩膜！(就是那個標(biāo)注Cr的地方。中間空的表示沒有遮蓋，黑的表示遮住了。) —— 光刻

5、紫外線照上去，下面被照得那一塊就被反應(yīng)了——光刻

6、撤去掩膜——光刻

7、把暴露出來的氧化層洗掉, 露出硅層(就可以注入離子了)——光刻

8、把保護(hù)層撤去. 這樣就得到了一個準(zhǔn)備注入的硅片. 這一步會反復(fù)在硅片上進(jìn)行(幾十次甚至上百次)——光刻

9、然后光刻完畢后, 往里面狠狠地插入一塊少量(10^14 ~ 10^16 /cm^3) 注入的N型物質(zhì)就做成了一個N-well (N-井)——離子注入

10、用干蝕刻把需要P-well的地方也蝕刻出來，也可以再次使用光刻刻出來——干蝕刻

11、上圖將P-型半導(dǎo)體上部再次氧化出一層薄薄的二氧化硅—— 熱處理

12、用分子束外延處理長出的一層多晶硅，該層可導(dǎo)電——分子束外延

13、進(jìn)一步的蝕刻，做出精細(xì)的結(jié)構(gòu)。(在退火以及部分CVD)—— 重復(fù)3-8光刻 + 濕蝕刻

14、再次狠狠地插入大量(10^18 ~ 10^20 / cm^3) 注入的P/N型物質(zhì)，此時注意MOSFET已經(jīng)基本成型——離子注入

15、用氣相積淀 形成的氮化物層 —— 化學(xué)氣相積淀

16、將氮化物蝕刻出溝道——光刻 + 濕蝕刻

17、物理氣相積淀長出 金屬層——物理氣相積淀

18、將多余金屬層蝕刻。光刻 + 濕蝕刻重復(fù) 17-18 次長出每個金屬層。

附圖的步驟在每幅圖的下面標(biāo)注，一共18步。

最終成型大概長這樣:

其中，步驟1-15 屬于 前端處理 (FEOL)，也即如何做出場效應(yīng)管。步驟16-18 (加上許許多多的重復(fù)) 屬于后端處理 (BEOL)，后端處理主要是用來布線。最開始那個大芯片里面能看到的基本都是布線！一般一個高度集中的芯片上幾乎看不見底層的硅片，都會被布線遮擋住。

SOI (Silicon-on-Insulator) 技術(shù)：

傳統(tǒng)CMOS技術(shù)的缺陷在于：襯底的厚度會影響片上的寄生電容，間接導(dǎo)致芯片的性能下降。SOI技術(shù)主要是將 源極/漏極 和 硅片襯底分開，以達(dá)到(部分)消除寄生電容的目的。

傳統(tǒng)：

SOI:

制作方法主要有以下幾種(主要在于制作硅-二氧化硅-硅的結(jié)構(gòu)，之后的步驟跟傳統(tǒng)工藝基本一致。)

1. 高溫氧化退火:

在硅表面離子注入一層氧離子層

等氧離子滲入硅層, 形成富氧層

高溫退火

成型

或者是

2. Wafer Bonding(用兩塊! )不是要做夾心餅干一樣的結(jié)構(gòu)嗎? 爺不差錢! 來兩塊!

對硅2進(jìn)行表面氧化

對硅2進(jìn)行氫離子注入對硅2進(jìn)行氫離子注入

翻面

將氫離子層處理成氣泡層將氫離子層處理成氣泡層

切割掉多余部分切割掉多余部分

成型 + 再利用

光刻

離子注入離子注入

微觀圖長這樣:

再次光刻+蝕刻

撤去保護(hù), 中間那個就是Fin撤去保護(hù), 中間那個就是Fin

門部位的多晶硅/高K介質(zhì)生長門部位的多晶硅/高K介質(zhì)生長

門部位的氧化層生長門部位的氧化層生長

長成這樣

源極 漏極制作(光刻+ 離子注入)

初層金屬/多晶硅貼片

蝕刻+成型

物理氣相積淀長出表面金屬層(因為是三維結(jié)構(gòu), 所有連線要在上部連出)

機(jī)械打磨(對! 不打磨會導(dǎo)致金屬層厚度不一致)

成型! 成型!

03

——

芯片封裝

封裝，就是指把硅片上的電路管腳,用導(dǎo)線接引到外部接頭處,以便與其它器件連接.封裝形式是指安裝半導(dǎo)體集成電路芯片用的外殼。它不僅起著安裝、固定、密封、保護(hù)芯片及增強(qiáng)電熱性能等方面的作用，而且還通過芯片上的接點用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印刷電路板上的導(dǎo)線與其他器件相連接，從而實現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的連接。

芯片為什么要封裝？

一方面因為芯片必須與外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。另一方面，封裝后的芯片也更便于安裝和運輸。由于封裝技術(shù)的好壞還直接影響到芯片自身性能的發(fā)揮和與之連接的PCB(印制電路板)的設(shè)計和制造，因此它是至關(guān)重要的。

衡量一個芯片封裝技術(shù)先進(jìn)與否的重要指標(biāo)是芯片面積與封裝面積之比，這個比值越接近1越好。封裝時主要考慮的因素：

1、?芯片面積與封裝面積之比為提高封裝效率，盡量接近1：1；

2、?引腳要盡量短以減少延遲，引腳間的距離盡量遠(yuǎn)，以保證互不干擾，提高性能；

3、?基于散熱的要求，封裝越薄越好。

封裝主要分為DIP雙列直插和SMD貼片封裝兩種。從結(jié)構(gòu)方面，封裝經(jīng)歷了最早期的晶體管TO（如TO-89、TO92）封裝發(fā)展到了雙列直插封裝，隨后由PHILIP公司開發(fā)出了SOP小外型封裝，以后逐漸派生出SOJ（J型引腳小外形封裝）、TSOP（薄小外形封裝）、VSOP（甚小外形封裝）、SSOP（縮小型SOP）、TSSOP（薄的縮小型SOP）及SOT（小外形晶體管）、SOIC（小外形集成電路）等。從材料介質(zhì)方面，包括金屬、陶瓷、塑料、塑料，目前很多高強(qiáng)度工作條件需求的電路如軍工和宇航級別仍有大量的金屬封裝。

封裝大致經(jīng)過了如下發(fā)展進(jìn)程：

結(jié)構(gòu)方面：TO－>DIP－>PLCC－>QFP－>BGA －>CSP；

材料方面：金屬、陶瓷－>陶瓷、塑料－>塑料；

引腳形狀：長引線直插－>短引線或無引線貼裝－>球狀凸點；

裝配方式：通孔插裝－>表面組裝－>直接安裝

具體的封裝形式

1、 SOP/SOIC封裝

SOP是英文Small Outline Package 的縮寫，即小外形封裝。SOP封裝技術(shù)由1968～1969年菲利浦公司開發(fā)成功，以后逐漸派生出SOJ（J型引腳小外形封裝）、TSOP（薄小外形封裝）、VSOP（甚小外形封裝）、SSOP（縮小型SOP）、TSSOP（薄的縮小型SOP）及SOT（小外形晶體管）、SOIC（小外形集成電路）等。

2、 DIP封裝

DIP是英文 Double In-line Package的縮寫，即雙列直插式封裝。插裝型封裝之一，引腳從封裝兩側(cè)引出，封裝材料有塑料和陶瓷兩種。DIP是最普及的插裝型封裝，應(yīng)用范圍包括標(biāo)準(zhǔn)邏輯IC，存貯器LSI，微機(jī)電路等。

3、 PLCC封裝

PLCC是英文Plastic Leaded Chip Carrier 的縮寫，即塑封J引線芯片封裝。PLCC封裝方式，外形呈正方形，32腳封裝，四周都有管腳，外形尺寸比DIP封裝小得多。PLCC封裝適合用SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線，具有外形尺寸小、可靠性高的優(yōu)點。

4、 TQFP封裝

TQFP是英文thin quad flat package的縮寫，即薄塑封四角扁平封裝。四邊扁平封裝（TQFP）工藝能有效利用空間，從而降低對印刷電路板空間大小的要求。由于縮小了高度和體積，這種封裝工藝非常適合對空間要求較高的應(yīng)用，如 PCMCIA 卡和網(wǎng)絡(luò)器件。幾乎所有ALTERA的CPLD/FPGA都有 TQFP 封裝。

5、 PQFP封裝

PQFP是英文Plastic Quad Flat Package的縮寫，即塑封四角扁平封裝。PQFP封裝的芯片引腳之間距離很小，管腳很細(xì)，一般大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路采用這種封裝形式，其引腳數(shù)一般都在100以上。

6、 TSOP封裝

TSOP是英文Thin Small Outline Package的縮寫，即薄型小尺寸封裝。TSOP內(nèi)存封裝技術(shù)的一個典型特征就是在封裝芯片的周圍做出引腳， TSOP適合用SMT技術(shù)（表面安裝技術(shù)）在PCB（印制電路板）上安裝布線。TSOP封裝外形尺寸時，寄生參數(shù)(電流大幅度變化時，引起輸出電壓擾動) 減小，適合高頻應(yīng)用，操作比較方便，可靠性也比較高。

7、 BGA封裝

BGA是英文Ball Grid Array Package的縮寫，即球柵陣列封裝。20世紀(jì)90年代隨著技術(shù)的進(jìn)步，芯片集成度不斷提高，I/O引腳數(shù)急劇增加，功耗也隨之增大，對集成電路封裝的要求也更加嚴(yán)格。為了滿足發(fā)展的需要，BGA封裝開始被應(yīng)用于生產(chǎn)。

采用BGA技術(shù)封裝的內(nèi)存，可以使內(nèi)存在體積不變的情況下內(nèi)存容量提高兩到三倍，BGA與TSOP相比，具有更小的體積，更好的散熱性能和電性能。BGA封裝技術(shù)使每平方英寸的存儲量有了很大提升，采用BGA封裝技術(shù)的內(nèi)存產(chǎn)品在相同容量下，體積只有TSOP封裝的三分之一；另外，與傳統(tǒng)TSOP封裝方式相比，BGA封裝方式有更加快速和有效的散熱途徑。

BGA封裝的I/O端子以圓形或柱狀焊點按陣列形式分布在封裝下面，BGA技術(shù)的優(yōu)點是I/O引腳數(shù)雖然增加了，但引腳間距并沒有減小反而增加了，從而提高了組裝成品率；雖然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，從而可以改善它的電熱性能；厚度和重量都較以前的封裝技術(shù)有所減少；寄生參數(shù)減小，信號傳輸延遲小，使用頻率大大提高；組裝可用共面焊接，可靠性高。

說到BGA封裝就不能不提Kingmax公司的專利TinyBGA技術(shù)，TinyBGA英文全稱為Tiny Ball Grid Array（小型球柵陣列封裝），屬于是BGA封裝技術(shù)的一個分支。是Kingmax公司于1998年8月開發(fā)成功的，其芯片面積與封裝面積之比不小于1:1.14，可以使內(nèi)存在體積不變的情況下內(nèi)存容量提高2～3倍，與TSOP封裝產(chǎn)品相比，其具有更小的體積、更好的散熱性能和電性能。

采用TinyBGA封裝技術(shù)的內(nèi)存產(chǎn)品在相同容量情況下體積只有TSOP封裝的1/3。TSOP封裝內(nèi)存的引腳是由芯片四周引出的，而TinyBGA則是由芯片中心方向引出。這種方式有效地縮短了信號的傳導(dǎo)距離，信號傳輸線的長度僅是傳統(tǒng)的TSOP技術(shù)的1/4，因此信號的衰減也隨之減少。這樣不僅大幅提升了芯片的抗干擾、抗噪性能，而且提高了電性能。采用TinyBGA封裝芯片可抗高達(dá)300MHz的外頻，而采用傳統(tǒng)TSOP封裝技術(shù)最高只可抗150MHz的外頻。

TinyBGA封裝的內(nèi)存其厚度也更?。ǚ庋b高度小于0.8mm），從金屬基板到散熱體的有效散熱路徑僅有0.36mm。因此，TinyBGA內(nèi)存擁有更高的熱傳導(dǎo)效率，非常適用于長時間運行的系統(tǒng)，穩(wěn)定性極佳。

國際部分品牌產(chǎn)品的封裝命名規(guī)則資料

1、 MAXIM

MAXIM前綴是“MAX”。DALLAS則是以“DS”開頭。MAX×××或MAX××××

說明：

1.后綴CSA、CWA 其中C表示普通級，S表示表貼，W表示寬體表貼。

2.后綴CWI表示寬體表貼，EEWI寬體工業(yè)級表貼，后綴MJA或883為軍級。

3.CPA、BCPI、BCPP、CPP、CCPP、CPE、CPD、ACPA后綴均為普通雙列直插。

舉例MAX202CPE、CPE普通ECPE普通帶抗靜電保護(hù)

MAX202EEPE 工業(yè)級抗靜電保護(hù)（-45℃-85℃）,說明E指抗靜電保護(hù)MAXIM數(shù)字排列分類

1字頭 模擬器；

2字頭 濾波器 ；

3字頭 多路開關(guān) ；

4字頭 放大器 ；

5字頭 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 ；

6字頭 電壓基準(zhǔn) ；

7字頭 電壓轉(zhuǎn)換 ；

8字頭 復(fù)位器 ；

9字頭 比較器 ；

DALLAS命名規(guī)則

例如DS1210N.S. DS1225Y-100IND

N=工業(yè)級 S=表貼寬體 MCG=DIP封 Z=表貼寬體 MNG=DIP工業(yè)級 ；

IND=工業(yè)級 QCG=PLCC封 Q=QFP ；

2、 ADI

AD產(chǎn)品以“AD”、“ADV”居多，也有“OP”或者“REF”、“AMP”、“SMP”、“SSM”、“TMP”、“TMS”等開頭的。

后綴的說明：

1. 后綴中J表示民品（0-70℃），N表示普通塑封，后綴中帶R表示表示表貼。　　

2.后綴中帶D或Q的表示陶封，工業(yè)級（45℃-85℃）。后綴中H表示圓帽。

3.后綴中SD或883屬軍品。

例如：JN DIP封裝 JR表貼 JD DIP陶封

3、 BB

BB產(chǎn)品命名規(guī)則：

前綴ADS模擬器件 后綴U表貼 P是DIP封裝 帶B表示工業(yè)級 前綴INA、XTR、PGA等表示高精度運放 后綴U表貼 P代表DIP PA表示高精度

4、 INTEL

INTEL產(chǎn)品命名規(guī)則：

N80C196系列都是單片機(jī)；

前綴：N=PLCC封裝 T=工業(yè)級 S=TQFP封裝 P=DIP封裝 ；

KC20主頻 KB主頻 MC代表84引角 ；

舉例：TE28F640J3A-120 閃存 TE=TSOP DA=SSOP E=TSOP。

5、 ISSI

以“IS”開頭

比如：IS61C IS61LV 4×表示DRAM 6×表示SRAM 9×表示EEPROM ；

封裝：PL=PLCC PQ=PQFP T=TSOP TQ=TQFP ；

6、 LINEAR

以產(chǎn)品名稱為前綴

LTC1051CS CS表示表貼 ；

LTC1051CN8 **表示*IP封裝 8腳 ；

后綴C為民用級 I為工業(yè)級 后面數(shù)字表示引腳數(shù)量！

7、 IDT

IDT的產(chǎn)品一般都是IDT開頭的

后綴的說明：

1. 后綴中TP屬窄體DIP

2. 后綴中P　屬寬體DIP

3. 后綴中J　屬PLCC

比如：IDT7134SA55P 是DIP封裝

IDT7132SA55J 是PLCC

IDT7206L25TP 是DIP

8、 NS

NS的產(chǎn)品部分以LM 、LF開頭的

LM324N 3字頭代表民品 帶N圓帽 ；

LM224N 2字頭代表工業(yè)級 帶N塑封 ；

LM124J 1字頭代表軍品 帶J陶封 ；

9、 HYNIX

封裝：DP代表DIP封裝 DG代表SOP封裝 DT代表TSOP封裝。

審核編輯：黃飛

?