电路设计

电路设计是生产芯片整个过程的第一步。电路设计由布局和尺寸设计电路上一块块的功能电路图开始,比如逻辑功能图。这个逻辑图设计了电路要求的主要功能和运算。接下来,设计人员将逻辑功能图转化为电路图。电路图标示出了各种电路元件的数量和连接关系。每一个元件在图上由符号代表。附在电路图上的是电路运行必须的电参数。

第三步是电路版图设计,它是半导体集成电路所独有的。电路的工作运行与很多因素有关,包括材料电阻率,材料物理特性和元件的物理尺寸。另外的因素是各个元件之间的相对定位关系。所有这些有考虑的元素决定了元件、器件、电路的物理布局。线路图设计开始于使用复杂尖端的计算机辅助设计系统将每一个电路元件转化为具体的图形和尺寸。通过CAD系统构造成电路,接下来将是最后的设计完全复制。得出的结果是一张展示所有子层图形的复合叠加图。此图被称为复合图。复合图类似于一座多层办公楼的设计图,从顶部俯视并展示所有楼层。但是,复合图是实际电路尺寸的许多倍。

制造集成电路和盖楼房同样需要一层层地建,因此必须将电路的复合图分解为每层的设计图。

每层的图形是数字化的(数字化是图形转换为数据库)并由计算机处理的X-Y坐标的设计图。

光刻母版和掩模版

光刻工艺用于在晶圆表面和内部产生需要的图形和尺寸。将数字化图形转到晶圆上需要一些加工步骤。在光刻制程中,准备光刻母版是其中的一个中间步骤。光刻母版是在玻璃或石英板的镀薄膜铬层上生成分层设计电路图的复制图。光刻母版可直接用于进行光刻,也可能被用来制造掩模版。掩模版也是在玻璃底板表层镀铬。在加工完成后,在掩模版表面会覆盖许多电路图形的副本。掩模版用于在整个晶圆表面形成图形。电子束曝光系统跳过光刻母版或掩模版,并直接在晶圆表面曝光。

光刻母版和掩模版由工厂单独的部门制造或者从外部供应商购买。每个电路类型都有自己分别的光刻母版或掩模版。

掺杂

掺杂是将特定量的杂质通过薄膜开口引入晶圆表层的工艺过程。它有两种工艺方法:热掺杂和离子注入。

热扩散是在1000℃左右的高温下发生的化学反应,晶圆暴露在一定掺杂元素气态下。扩展的简单例子就如同除臭剂从压力容器内释放到房间中。气态下的掺杂原子通过扩散化学反应迁移到暴露的晶圆表面,形成一层薄膜。在芯片应用中,热扩散也称为固态扩散,因为晶圆材料是固态的。扩散掺杂是一个化学反应过程。由物理规律支配杂质的扩散运动。

离子注入是一个物理过程。晶圆被装在离子注入机的一端,掺杂离子源在另一端。在离子源的一端,掺杂体原子被离子化,被电场加到超高速,穿过晶圆表层。原子的动量将掺杂原子注入晶圆表层,就好像一粒子弹从枪内射入墙中。

掺杂工艺的目的是在晶圆表层内建立兜形区。

热处理

热处理是简单地将晶圆加热和冷却来达到特定结果地制程。在热处理地过程中,在晶圆上没有增加或减去任何物质。然而,工艺过程可能会在晶圆中或晶圆上面产生污染。

在离子注入制程后会有一步重要的热处理。掺杂原子的注入所造成的晶圆损伤会被热处理修复,这称为退火,温度在1000℃左右。另外,金属导线在晶圆上制成后会有一步热处理。这些导线在电路的各个器件之间承载电流。为了确保良好的导电性,金属会在450℃热处理后与晶圆表面紧密熔合。热处理的第三种重要用途是通过加热在晶圆表面的光刻胶将溶剂蒸发掉,从而得到精确的图形。

晶圆中测

在晶圆制造完成之后,接下来是一步非常重要的测试步骤:晶圆中测。这步测试是晶圆生产过程的报告卡。在测试过程中,检测每一个芯片的电性能和电路功能。晶圆中测又称为芯片分选或电分选。

在测试时,晶圆被固定在真空吸力的卡盘上,并将很细的探针对准芯片的每一个压点使其相接触。将探针与测试电路的电源相连,并记录下结果。测试的数量、顺序和类型由计算机程序控制。测试机是自动化的,所以在探针卡与第一片晶圆对准后的测试工作无须操作员的辅助。

测试是为了以下3个目的。第一,在晶圆送到封装工厂之前,鉴别出合格的芯片。第二,对器件或电路的电性参数进行特性评估。工程师们需要监测参数的分布状态来保持工艺的质量水平。第三,芯片的合格品与不良品的核算会给晶圆生产人员提供全面的业绩反馈。合格芯片与不良品在晶圆上的位置在计算机上以晶圆图的形式记录下来。从前的老式技术在不良品芯片上涂一个墨点。

晶圆中测是主要的芯片良品率统计方法之一。随着芯片的面积增大和密度提高使得晶圆测试的费用越来越大。这样一来,芯片需要更长的测试时间以及更加精密复杂的电源、机械装置和计算机系统来执行测试工作和监控测试结果。视觉检查系统也是随着芯片尺寸扩大而更加精密和昂贵的。缩短芯片测试时间也是一个挑战。芯片的设计人员被要求将测试模式引入存储阵列。测试的设计人员在探索如何将测试流程更加简化而有效,例如在芯片参数评估合格后使用简化的测试程序,另外也可以隔行测试晶圆上的芯片,或者同时进行多个芯片的测试。