芯片制造流程简介.ppt

半导体行业 芯片制造 什么是芯片 芯片 又称微电路 microcircuit 微芯片 microchip 集成电路 英语 integratedcircuit IC 是指内含集成电路的硅片 体积很小 常常是计算机或其他电子设备的一部分 1 改变世界的两周假期 集成电路之父 杰克 基尔比 JackKilby 2 模拟器件领域的乔布斯 鲍伯 韦勒3 赛灵思的联合创始人 Rossfreeman4 IT行业一个神话 戈登摩尔5 晶体管之父 肖克利 半导体行业伟人 IT行业一个神话 戈登摩尔 戈登 摩尔 1929年1月3日出生于旧金山佩斯卡迪诺 美国科学家 企业家 英特尔公司创始人之一 他是科学家与富豪融为一身的双面人 戈登 摩尔 GordonMoore 在IT行业有一个神话 这个神话就是一条定律把一个企业带到成功的顶峰 这个定律就是 摩尔定律 信息产业几乎严格按照这个定律以指数方式领导着整个经济发展的步伐 这个定律的发现者不是别人 正是世界头号CPU生产商Intel公司的创始人之一的戈登 摩尔 GordonMoore 戈登摩尔1965年提出 摩尔定律 1968年创办Intel公司 1987年将CEO的位置交给安迪 葛洛夫 1990年被布什总统授予 国家技术奖 2000年创办拥有50亿美元资产的基金会 2001年退休 退出Intel的董事会 摩尔定律内容为 当价格不变时 集成电路上可容纳的元器件的数目 约每隔18 24个月便会增加一倍 性能也将提升一倍 换言之 每一美元所能买到的电脑性能 将每隔18 24个月翻一倍以上 这一定律揭示了信息技术进步的速度 全球芯片公司排名 1 英特尔 中国 有限公司2 三星电子株式会社3 上海半导体科技有限公司4 高通无线通信技术有限公司5 超威半导体产品有限公司6 SK海力士半导体有限公司7 德州仪器半导体技术有限公司8 美光半导体技术有限公司9 联发博动科技有限公司10 华为技术有限公司 1 IC设计2 芯片制造3 晶圆测试4 IC封装与组装 目录 1 IC设计 1 1数字电路设计1 2模拟电路设计1 3仿真与测试 1 1数字电路 逻辑设计 数字电路设计负责的是系统功能的实现 状态机 逻辑图 1 2模拟电路设计 仿真信号处理 模拟电路设计负责的是输入信号的优化 增加电源电路 或优化电路布局等 使输入信号免受器件影响 差分放大电路 消除了信号中的噪声并放大信号 1 3仿真与测试 电路图绘制 版图绘制 按客户给的规则排版 版图与电路匹配检查 2 芯片制造 从沙子到芯片 CPU是如何制造出来的 短片 2 1 沙子 硅锭硅是地壳中含量位居第二的元素 常识 沙子含硅量很高 硅 计算机芯片的原料 是一种半导体材料 也就是说通过掺杂 硅可以转变成导电性良好的导体或绝缘体 注 半导体是导电性介于导体和绝缘体之间的一种材料 掺杂是一种手段 通常加入少量其它某种元素改变导电性 熔融的硅 尺寸 晶圆级 300毫米 12英寸 为了能用于制造计算机芯片 硅必须被提纯到很高的纯度 10亿个原子中至多有一个其它原子 也就是99 9999999 以上 硅在熔融状态被抽取出来后凝固 该固体是一种由单个连续无间断的晶格点阵排列的圆柱 也就是硅锭 单晶硅锭 尺寸 晶圆级 大约300毫米 12英寸 硅锭的直径大约300毫米 重约100千克 单晶硅就是说整块硅就一个晶体 我们日长生活中见到的金属和非金属单质或化合物多数以多晶体形态存在 2 2 硅锭 晶圆切割 尺寸 晶圆级 大约300毫米 12英寸 硅锭被切割成单个的硅片 称之为晶圆 每个晶圆的直径为300毫米 厚度大约1毫米 晶圆 尺寸 晶圆级 大约300毫米 12英寸 晶圆抛光 直到无瑕 能当镜子照 Intel从供货商那里购买晶圆 目前晶圆的供货尺寸比以往有所上长 而平均下来每个芯片的制造成本有所下降 目前供货商提供的晶圆直径300毫米 工业用晶圆有长到450毫米的趋势 在一片晶圆上制造芯片需要几百个精确控制的工序 不同的材料上一层覆一层 下面简要介绍芯片的复杂制造过程中几个比较重要的工序 2 3 光刻光刻胶的使用 尺寸 晶圆级 大约300毫米 12英寸 光刻是用一种特殊的方法把某种图像印到晶圆上的过程 开始时使用一种称为光刻胶的液体 把它均匀的浇注到旋转的晶圆上 光刻胶这个名字的来源于是这样的 人们发现有一种物质对特定频率的光敏感 它能够抵御某种特殊化学物质的腐蚀 蚀刻中涂覆刻它可起到保护作用 蚀掉不想要的材质 曝光 尺寸 晶圆级 大约300毫米 12英寸 光刻胶硬化后 用一定频率的紫外线照射后变得可溶 曝光过程需要用到膜片 膜片起到印模的作用 如此一来 只有曝光部分的光刻胶可溶 膜片的图像 电路 印到了晶圆上 电路图像要经过透镜缩小 曝光设备在晶圆上来回移动多次 也就是说曝光多次后电路图才能彻底印上去 注 跟古老的照相机底片的原理类似 溶解光刻胶 尺寸 晶圆级 大约300毫米 12英寸 通过化学过程溶解曝光的光刻胶 被膜片盖住的光刻胶保留下来 2 4 离子注入离子注入 尺寸 晶圆级 大约300毫米 12英寸 覆盖着光刻胶的晶圆经过离子束 带正电荷或负电荷的原子 轰击后 未被光刻胶覆盖的部分嵌入了杂质 高速离子冲进未被光刻胶覆盖的硅的表面 该过程称为掺杂 由于硅里进入了杂质 这会改变某些区域硅的导电性 导电或绝缘 这依赖于使用的离子 这里展示一下空洞 well 的制作 这些区域将会形成晶体管 注 据说这种用于注入的带电粒子被电场加速后可达30万千米 小时 去除光刻胶 尺寸 晶圆级 大约300毫米 12英寸 离子注入后 光刻胶被清除 在掺杂区形成晶体管 晶体管形成初期 尺寸 晶体管级 大约50 200纳米 图中是放大晶圆的一个点 此处有一个晶体管 绿色区域代表掺杂硅 现在的晶圆会有几千亿个这样的区域来容纳晶体管 2 5 刻蚀刻蚀 尺寸 晶体管级 大约50 200纳米 为了给三门晶体管制造一个鳍片 fin 上述光刻过程中 使用一种称为硬膜片 蓝色 的图像材料 然后用一种化学物质刻蚀掉不想要的硅 留下覆盖着硬膜片的鳍片 2 6 临时门的形成二氧化硅门电介质 尺寸 晶体管级 大约50 200纳米 在光刻阶段 部分晶体管用光刻胶覆盖 把晶圆插入到充满氧的管状熔炉中 产生一薄层二氧化硅 红色 这就造就了一个临时门电介质 多晶硅门电极 尺寸 晶体管级 大约50 200纳米 在光刻阶段 制造一层多晶硅 黄色 这就造就了一个临时门电极 绝缘 尺寸 晶体管级 大约50 200纳米 在氧化阶段 整个晶圆的二氧化硅层 红色透明 用于跟其它部分绝缘 英特尔使用 最后门 也称为 替代金属门 技术制作晶体管金属门 这种做法的目的是确保晶体管不出现稳定性问题 否则高温的工序会导致晶体管不稳定 2 7 最后门 高K 金属门的形成注 介电常数K为高还是低是相对的 但英特尔的标准跟业界不同 业界普遍采用IBM的标准 用低K介质能减少漏电流 但是加工困难 目前大规模数字电路多用高K介质 牺牲门的去除 尺寸 晶体管级 大约50 200纳米 用膜片工序里的做法 临时 牺牲 门电极和门电介质被刻蚀掉 真实门现在就会形成了 因为第一门被去掉了 该工序称为 最后门 高K电介质的使用 尺寸 晶体管级 大约50 200纳米 在称为 原子层 沉积的过程中 晶圆表面覆了一层分子 图中黄色层代表这些层中的两层 使用光刻技术 在不想要的区域 例如透明二氧化硅的上面 里 高K材质被刻蚀掉 金属门 尺寸 晶体管级 大约50 200纳米 晶圆上形成金属电极 蓝色 不想要的区域用光刻的办法刻蚀掉 跟高K材料配合 薄薄的黄色层 起来使用 可以改善晶体管性能 减少漏电流的产生 这是使用传统的二氧化硅 多晶硅门不能企及的 2 8 金属沉积晶体管就绪 尺寸 晶体管级 大约50 200纳米 晶体管的建造快竣工了 晶体管上方的绝缘层刻蚀出3个小洞 这3个洞里被填充上铜或其它材质 以便跟别的晶体管导通 注 晶体管也就是通俗意义上的三极管 需要3个引线脚 所以一个晶体管的绝缘层上得刻蚀出3个小洞 电镀 尺寸 晶体管级 大约50 200纳米 在该阶段 晶圆浸在硫酸铜溶液里 作为阴极 铜离子从阳极出发到达阴极 最后铜离子会沉积在晶体管表面 电镀后序 尺寸 晶体管级 大约50 200纳米 经过电镀 铜离子在晶圆表面沉积下来形成薄薄的一层铜 2 9 金属层抛光 尺寸 晶体管级 大约50 200纳米 多余的材质会被机械抛光 直到露出光亮的铜为止 金属层 尺寸 晶体管级 6个晶体管组合起来大约500纳米 构造多重金属层以一种特殊的结构来导通 请考虑宏观世界中的 导线 晶体管 这些 导线 怎么连接 要由某个型号处理器 例如第2代英特尔CoreI5处理器 的架构师和设计团队来决定 尽管计算机芯片看上去十分平整 其实可能会超过30层 是一个十分复杂的电路 一个放大的芯片看上去是由电线和晶体管组成的错综复杂的网络 该网络看上去像将来某天地面上建造成的多层高速公路系统 2 10 包装单个Die 尺寸 die级 大约10毫米 大约0 5英寸 单个的die经过前面的工序后被切割成单件 这里显示的是英特尔22纳米微处理的代号IvyBridge的die 打包 尺寸 包装级 大约20毫米 大约1英寸 打包基板 die 电路部分 和导热盖粘在一起形成一个完整的处理器 绿色的基板具有电子和机械接口跟PC系统的其它部分通信 银色的导热盖可以跟散热器接触散发CPU产生的热量 处理器 尺寸 包装级 大约20毫米 大约1英寸 完整的微处理器 IvyBridge 被称为人类制造出的最复杂的产品 实际上 处理器需要几百个工序来完成 上述仅仅介绍了最重要的工序 是在世界上最洁净的环境下 微处理器工厂里 完成的 注 粉尘会导致电路短路 制造精密的电路必须在无尘的环境下进行 例如 目前计算机主板要求的无尘环境是1万等级 也就是说平均1万立方米空气中不得多于1粒粉尘 CPU电路更加精细 对无尘环境要求会更高 2 11 级别测试 完整的处理器级别测试 尺寸 包装级 大约20毫米 大约1英寸 在这个最后的测试阶段 处理器要经过全面的测试 包括功能 性能 功耗 筛选 尺寸 包装