芯片制作流程分解說明

01

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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識的標簽并加以包裝后即可出廠。而未通過測試的芯片則視其達到的參數(shù)情況定作降級品或廢品。

02

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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)，這一步進行蝕刻).

4.2、濕蝕刻 (進一步洗掉，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)，進一步精細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, 保護住不想被蝕刻的地方——光刻

4、上掩膜！(就是那個標注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、把保護層撤去. 這樣就得到了一個準備注入的硅片. 這一步會反復(fù)在硅片上進行(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、進一步的蝕刻，做出精細的結(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進行表面氧化

對硅2進行氫離子注入對硅2進行氫離子注入

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, 中間那個就是Fin撤去保護, 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)

機械打磨(對! 不打磨會導(dǎo)致金屬層厚度不一致)

成型! 成型!

03

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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、保護芯片及增強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)先進與否的重要指標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，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)用范圍包括標準邏輯IC，存貯器LSI，微機電路等。

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，一般大規(guī)模或超大規(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90年代隨著技術(shù)的進步，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

MAX202EEPE 工業(yè)級抗靜電保護（-45℃-85℃）,說明E指抗靜電保護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 ；

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?！　?/p>

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；

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

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