集成电路制造工艺

摘要 集成电路广泛应用于生活生产中,对其深入了解很有必要,在此完论文中整的阐述集成电路原理及其制造工艺本从集成电路的最初设计制造开始讲起全面讲述了集成电路的整个发展过程制造工艺以及集成电路未来的发展前途。集成电路广泛应用于生活的各个领域,特别是超大规模集成电路应用之后,使我们的生活方式有了翻天覆地的变化。各种电器小型化智能化给我们生活带来了各种方便。所以对于电子专业了解集成电路的是发展及其制造非常有必要的。关键词集成电路半导体晶体管激光蚀刻 集成电路的前世今生 说起集成电路就必须要提到它的组成最小单位晶体管。1947 年在美国的贝尔实验室威廉·邵克雷、约翰·巴顿和沃特·布拉顿成功地制造出第一个晶体管。晶体管的出现使电子元件由原来的电子管慢慢地向晶体管转变,是电器小型化低功耗化成为了可能。20 世纪最初的10 年,通信系统已开始应用半导体材料。开始出现了由半导体材料进行检波的矿石收音机。1945 年贝尔实验室布拉顿、巴丁等人组成的半导体研究小组经过一系列的实验和观察,逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。布拉顿发现,在锗片的底面接上电极,在另一面插上细针并通上电流,然后让另一根细针尽量靠近它,并通上微弱的电流,这样就会使原来的电流产生很大的变化。微弱电流少量的变化,会对另外的电流产生很大的影响,这就是“放大”作用。第一次在实验室实际验证的半导体的电流放大作用。不久之后他们制造出了能把音频信号放大100 倍的晶体管。晶体管最终被用到了集成电路上面。晶体管相对于电子管着它本身固有的优点: 1.构件没有消耗:无论多么优良的电子管,都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐老化。由于技术上的原因,晶体管制作之初也存在同样的问。随着材料制作上的进步以及多方面的改善,晶体管的寿命一般比电子管长100 到1000 倍。2.消耗电能极少:耗电量仅为电子管的几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管的收音机只要几节干电池就可以半年。 3.不需预热:一开机就工作。用晶体管做的收音机一开就响,晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。4.结实可靠:比电子管可靠100 倍,耐冲击、耐振动,这都是电子管所无法比拟的。晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一,放热很少,可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密,但工序简便,有利于提高元器件的安装密度。光有了晶体管还是不够,因为要把晶体管集成到一片半导体硅片上才能便于把电路集成把电子产品小型化。那怎么把晶体管集成呢,这便是后来出现的集成芯片。采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体,使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性化。集成电路经过30 多年的发展由开始的小规模集成电路到到大规模集成电路再到现在的超大规模乃至巨大规模的集成电路,集成电路有了飞跃式的发展集成度也越来越高,从微米级别到现在的纳米级别。模拟集成电路主要是指由电容、电阻、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理模拟信号的集成电路。有许多的模拟集成电路,如运算放大器、模拟乘法器、锁相环、电源管理芯片等。模拟集成电路的主要构成电路有:放大器、滤波器、反馈 电路、基准源电路、开关电容电路等。数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。用来产生、放大和处理各种数字信号(指在时间上和幅度上离散取值的信号)。而集成电路的普及离不开因特尔公司。1968 年:罗伯特·诺 伊斯和戈登·摩尔创立了一个新的企业,即英特尔公司。1969 年英特尔成功开发出第一个PMOS 硅栅晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质,但是引入了新的多晶硅栅电极。1971 年,英特尔发布了其第一个微处理器4004。包含仅2000 多个晶体管,采用英特尔10 微米PMOS 技术生产。1972 年,英特尔发布了第一个8 位处理器8008。1978 年,英特尔发布了第一款16 位处理器8086。含有 2.9 万个晶体管。1978 年,英特尔标志性地把英特尔8088 微处理器销售给IBM 武装了IBM 新产品IBM PC 的中枢大脑。16 位8088 处理器为8086 的改进版,含有2.9 万个晶体管,运行频率为5MHz、8MHz 和10MHz。1982 年,286 微处理器推出,提出了指令集概念,即现在的x86 指令集,可运行为英特尔前一代产品所编写的所有软件。286 处理器使用了13400 个晶体管,运行频率为6MHz、8MHz、10MHz 和12.5MHz。1985 年,英特尔386 微处理器问世,含有27.5 万个晶体管,是最初4004 晶体管数量的100 多倍。386 是32 位芯片,具备多任务处理能力,即它可在同一时间运行多个程序。1993 年,英特尔奔腾处理器问世,含有3 百万个晶体管,采用英特尔0.8 微米制程技术生产。1999 年,英特尔发布了处理器。奔腾 3 是1x1 正方形硅,含有950 万个晶体管,采用英特尔0.25 微米制程技术生产。2002 年,英特尔奔腾4 处理器推出,高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22 亿个周期运算。它采用英特尔0.13 微米制程技术生产,含有5500 万个晶体管。2002 年,英特尔运用了90 纳米制程技术采用应变硅,高速铜质接头和新型低-k 介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。2005 年5 月26 日:英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾 D 处理器”诞生,含有 2.3 亿个晶体管,采用英特尔领先的90 纳米制程技术生产。2006 年7 月18 日:采用世界最复杂的产品设计,含有17.2 亿个晶体管。该处理器采用英特尔90 纳米制程技术生产。2007 年 1 月8 日:英特尔发布了65 纳米制程的酷睿2 处理器。含有 5.8 亿多个晶体管。可以说是因特尔公司推动了集成电路的发展特别是CPU 的进步。世界上大部分的桌面CPU 都出自因特尔公司,随着技术的进步因特尔公司的技术也在不断更新。到明年也就是2012 年你特尔公司将发布他的最新的CPU 架构制程也将推进到22 纳米采用全新的晶体管—3D 晶体管,这种晶体管将不是普通的平面激光蚀刻出每个晶体管单元而是使衬底立起来进一步增加单位面积晶体管数量使集成度更高这将会是晶体管的又一次巨大的飞跃。 集成电路制造过程 一块集成电路的制造工艺也许是世界上最复杂的人类工业制造能力,所经历的过程不亚于人类从受精卵发育完成的全过程。芯片制作的材料非常普遍就是我们平常所见到的沙子-二氧化硅。芯片的制作主要有以下几个步骤:1. 长晶二氧化硅矿石经由电弧炉提炼,盐酸氯化,并经蒸馏后,制成了高纯度的多晶硅,其纯度高达99.999999999%。再把此多晶硅融解,再于融液里种入籽晶,然后将其慢慢拉出,以形成圆柱状的单晶硅晶棒。硅晶棒再经过切段,滚磨,切片,倒角,抛光,包装后,即成为集成电路芯片的基本原料—硅晶圆片。晶圆面氧化 2. 晶圆表面氧化用热氧化法生成SiO2 缓冲层从而使得硅原料具有半导体的特性,主要的二氧化法有干法和湿法两种。热氧化法用来形成栅极二氧化硅膜,膜要求薄,干法氧化成膜速度慢于湿法。湿法氧化通常用来形成作为器件隔离用的比较厚的二氧化硅膜。3. 光蚀刻光蚀刻主要是在硅圆上蚀刻上设计好的集成电路。因为集成度高单个晶体管只有纳米级所以必须采用激光蚀刻。在蚀刻前要在晶圆上涂上一层光刻胶所谓光刻胶,是对光、电子束或X 线等敏感,具有在显影液中溶解性的性质,同时具有耐腐蚀性的材料。一般说来,正型胶的分辩率高,而负型胶具有感光度以及和下层的粘接性能好等特点。首先,用真空吸引法将基片吸在甩胶机的吸盘上,把具有一定粘度的光刻胶滴在基片的表面,然后以设定的转速和时间甩胶。由于离心力的作用,光刻胶在基片表 面均匀地展开,多余的光刻胶被甩掉,获得一定厚度的光刻胶膜,光刻胶的膜厚是由光刻胶的粘度和甩胶的转速来控制。接下来使用一定波长的光在感光层中刻出相应的刻痕。每一步刻蚀都是一个复杂而精细的过程。当这些刻蚀工作全部完成之后,晶圆被翻转过来。短波长光线透过石英模板上镂空的刻痕照射到晶圆的感光层上,然后撤掉光线和模板。通过化学方法除去暴露在外边的感光层物质,而二氧化硅马上在陋空位置的下方生成。4. 参杂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。使植入的掺杂原子扩散到替代位置,产生电特性。在残留的感光层物质被去除之后,剩下的就是充满的沟壑的二氧化硅层以及暴露出来的在该层下方的硅层。这一步之后,另一个二氧化硅层制作完成。然后,加入另一个带有感光层的多晶硅层。多晶硅是门电路的另一种类型。由于此处使用到了金属原料(因此称作金属氧化物半导体),多晶硅允许在晶体管队列端口电压起作用之前建立门电路。感光层同时还要被短波长光线透过掩模刻蚀。再经过一部刻蚀,所需的全部门电路就已经基本成型了。然后,要对暴露在外的硅层通过化学方式进行离子轰击,此处的目的是生成N 沟道或P 沟道。这个掺杂过程创建了全部的晶体管及彼此间的电路连接,每个晶体管都有输入端和输出端。 5.晶圆测试晶圆测试经过上面的几道工艺之后,晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。一般每个芯片的拥有的晶粒数量是庞大的,组织一次针测试模式是非常复杂的过程,这要求了在生产的时候尽量是同等芯片规格构造的型号的大批量的生产。数量越大相对成本就会越低,这也是为什么主流芯片器件造价低的一个因素。 6.封装6. 封装将制造完成晶圆固定,绑定引脚,按照需求去制作成各种不同的封装形式,这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。比如:DIP、QFP、PLCC、QFN 等。主要是由用户的应用习惯、应用环境、市场形式等外围因素来决定的。 7.测试测试、7. 测试、包装经过上述工艺流程以后,芯片制作就已经全部完成了,这一步骤是将芯片进行测试、剔除不良品,以及包装。经过以上的步骤一个集成芯片就可以使用了。芯片的生产是个非常复杂的工序,因为集成度非常的高所以生产的环境不能有半点灰尘无尘度更是达到了10 级无尘。所以在生产的全过程全部都是通过机器人自动完成。如果说航空发动机是一个国家的工业制造从水平的话那芯片的制造代表着一个国家的全部科技水平。 经过这几天查资料我对集成电路有了非常深刻的了解,特别是芯片的制作,在课堂上虽然有所了解但是那只是感性的认识并没有全方面的了解以为随随便便就能做出一个芯片来。做完这次的报告我才对集成电路的制造有了深刻的了解知道了它制造的全过程,也知道了芯片也不是能随随便便做出来的。集成电路对人类的生产生活有着十分重要的作用我们有好多地方都离不开了集成电路。最后我要感谢李祖林老师对我的指导没有他的指导我想我也不会对芯片的制造有着深刻的认识在这里要十分感谢他! 参考文献 1. 百度百科-晶圆博闻网-半导体宋焕明.模拟集成电路[M]. 北京:机械工业出版社,2009.7. 26~44