IC设计与制造流程.pdf

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1、1 1 IC设计与制造流程设计与制造流程 目录目录 2 IC基础知识基础知识 什么叫集成电路什么叫集成电路 集成电路是采用半导体制作工艺，在一块集成电路是采用半导体制作工艺，在一块 较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻 器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂 道布线的方法将元器件组合成完整的电子电道布线的方法将元器件组合成完整的电子电 路。一般在行业中简称路。一般在行业中简称”IC” 晶体管 电阻器 电容器 单晶硅片 成品芯片 3 IC的分类的分类 集成电路的种类集成电路的种类 按其制作工艺按其制作工艺 按集成度高低

2、按集成度高低 按导电类型按导电类型 按其功能按其功能 模拟集成电路数字集成电路 双极型集成电路单极型集成电路 小规模中规模大规模超大规模 半导体集成电路膜集成电路混合集成电路 4 模拟集成电路：主要是针对模拟信号处理的模拟集成电路：主要是针对模拟信号处理的 模块。如：话筒里的声模块。如：话筒里的声音音信号，电信号，电视视信号信号和和 VCD输出输出的的图象图象信号、信号、温度温度采集的模拟信号采集的模拟信号 和其它和其它模拟模拟量量的信号处理的集成模块。的信号处理的集成模块。 数字数字集成电路：主要是针对集成电路：主要是针对数字数字信号处理的信号处理的 模块。如：计模块。如：计算机算机里的里的

3、2近近制、制、8近近制、制、10近近 制、制、16近近制的制的数据进数据进行处理的集成模块。行处理的集成模块。 IC基础知识基础知识 两者最两者最主要的主要的区别区别是：模拟集成电路信号是是：模拟集成电路信号是连续连续的，的， 数字数字集成电路信号是集成电路信号是非连续非连续的。的。 5 双极型和双极型和单单极型极型的的区别区别 双极型双极型集成电路是集成电路是: 由由NPN或或PNP型型晶体管组成。晶体管组成。由由 于于电路中电路中载载流子流子有有电子电子和空穴两和空穴两种种极性极性，因此取名为因此取名为 双极型双极型集成电路，集成电路，就就是是人们平时说人们平时说的的TTL集成电路。集成电

4、路。 单单极型极型集成电路是集成电路是: 由由MOS场效应场效应晶体管组成的。晶体管组成的。因因 场效应场效应晶体管晶体管只有只有多多数载数载流子流子参加参加导电，导电，故故称称场效应场效应 晶体管晶体管为为单单极型极型晶体管，晶体管，由这由这种单种单极极晶体管组成的集晶体管组成的集 成电路成电路就得名为就得名为单单极型极型集成电路，集成电路，就就是是平时说平时说的的MOS 集成电路。集成电路。 IC基础知识基础知识 6 小小规规模集成电路：一般模集成电路：一般每每片上的集成片上的集成度度小小于十个逻于十个逻 辑门个数（辑门个数（或或含含元件元件数少于数少于一一百个）百个）。 中中规规模集成电

5、路：一般模集成电路：一般每每片上的集成片上的集成度度在在十至十至一一百百 个门个门电路电路之间之间(或在一或在一百至百至一一千个千个元件元件数之间数之间) 。 大规大规模集成电路：一般模集成电路：一般每每片上的集成片上的集成度度在一在一百个门百个门 电路电路以以上上(或一或一千个千个元件元件以以上上) 。 超大规超大规模集成电路：一般模集成电路：一般每每片上的集成片上的集成度达度达一一万个万个 门门电路电路(或或十万个十万个元件元件以以上上) 。 IC基础知识基础知识 7 薄膜薄膜集成电路集成电路: 在在同同一一个个基片上用基片上用蒸发蒸发、溅射溅射、 电电镀镀等等薄膜薄膜工艺制成工艺制成无源

6、网无源网路路,并在并在其其上组上组装装上分上分 立立的的微型微型元件、器件元件、器件,再外加封装而再外加封装而成成 . 厚厚膜膜集成电路集成电路: 在在同同一基片上用一基片上用丝丝网网印刷印刷、烧结烧结 等等厚厚膜膜工艺制作工艺制作无源网无源网络络，并在，并在其其上组上组装装分分立立的的 微型微型元件、器件，元件、器件，再外加封装而再外加封装而成 。成 。 注注：两者之间最大两者之间最大的的区别区别是制作工艺的是制作工艺的不不同同。厚厚 膜膜电路的电路的膜膜厚厚一般一般大于大于10m，薄膜薄膜的的膜膜厚厚小小于于 10m，大大多处多处于于小小于于1m 。 混混合集成电路 ：合集成电路 ：由由半

7、导体集成工艺与半导体集成工艺与薄（薄（厚厚）膜）膜 工艺工艺结结合合而而制成的集成电路。制成的集成电路。 IC基础知识基础知识 8 8 IC设计流程设计流程介绍介绍1 系统设计 Matlab/SPW/Cocentric 数字电路RTL代码设计 Novas 数字电路RTL代码仿真 VCS / NC- Verilog Modelsim / Scirocco RTL代码综合设计 DC Ultra / Blast- RTL 时序/形式/测试验证 PT- Si / Formality Encounter / DFT 混合仿真 MMSIM / Nanosim / ADMS 模拟电路行为设计 Verilog

8、- A Input Tools FPGA / ASIC 原型验证 FPGA Advantage Synplify / Amplify 第 三 方 库 标 准 单 元 库 模拟电路设计 Virtuoso 模拟电路仿真 Hspice / Spectre / Eldo/ Hsim 9 9 IC设计流程设计流程介绍介绍2 混合仿真 MMSIM / Nanosim / ADMS 第 三 方 库 标 准 单 元 库 物理布局布线 ICC / Encounter IC设计的物理验证 Assura/Hercules/Calibre 数据输出 G D S I I 模拟电路手工布局布线 Virtuoso / La

9、ker / Zeni 模拟电路物理验证 Hercules/Diva/Calibre 版图参数提取及后仿真 Star- RCXT / Calibre / Assura MMSIM / Nanosim / ADMS 10 IC全定全定制设计流程制设计流程 11 IC全定全定制设计流程主要工制设计流程主要工具具 Cadence工工具具 Virtuoso(R) Schematic Editor Virtuoso(R) Spectre(R) circuit Simulator Virtuoso(R)- XL Layout Editor Assura Synopsys 工工具具 HspiceHsim Me

10、ntor 工工具具 CalibreEldo 1212 数字数字IC设计流程设计流程 13 IC数字数字设计流程主要工设计流程主要工具具Synopsys工工具具 Galaxy 设计设计平平台台和和Discovery。验证验证平平台台 VCS 编译编译型型Verilog模拟器 。模拟器 。 DC 逻辑逻辑综综合工合工具具. DFT Compiler 扫描式可测扫描式可测性性设计分设计分析析、综综合合和和 验证技术验证技术 . Power Compiler 功耗优化能力功耗优化能力. PrimeTime静态静态时时序序分分析析的工的工具具. Formality 形式验证形式验证工工具具。 Astro

11、 或或ICC 自动自动布布局局、布线的工、布线的工具具. Star- RCXT 寄生寄生参数参数提提取取工工具具. HSPICE 模拟电路模拟电路仿真仿真工工具具。 14 IC数字数字设计流程主要工设计流程主要工具具Cadence工工具具 Ncsim (nc- verilognc- vhdl)逻辑逻辑仿真仿真工工具具 Encounter平平台台是一是一个个综综合的合的RTL- to- GDSII 流程，流程，面向面向90纳米纳米及及以以下级下级别别的的复杂复杂和和低功低功 耗耗设计设计 . Encounter包括包括以以下几下几个个功能功能块：块： （1）硅硅虚虚拟拟原原型型(SVP) 。 （

12、2）RTL实现实现- 针对针对时时序序设计的设计的全局综全局综合。合。 （3）物物理理综综合 。合 。 （4）布线布线和和信号完整信号完整性性设计 。设计 。 （5）纳米纳米分分析析与与sign- off。 （6）可测可测性性设计。设计。 （7）成成品率诊断品率诊断 。 15 IC制造流程制造流程回顾回顾 16 IC 制造流程制造流程 IC 制造流程简制造流程简介介 制造一块制造一块IC 芯芯片片通常需通常需要要400 到到500 道道 工工序序。但但是是概括起来概括起来说说，它它一般分一般分为两大为两大部部 分：分： 前前道工道工序序（front- end production） 后后道工道

13、工序序（back- end production） 17 IC 制造流程制造流程 前前道工道工序序 (1) 将将粗糙粗糙的硅的硅矿石转变矿石转变成成高纯高纯度度的单晶硅。的单晶硅。 (2) 在在wafer 上制造上制造各各种种IC 元件。元件。 后后道工道工序序 (1) 对对wafer 的的测试测试与与划划片。片。 (2) 对对IC 芯芯片片进进行行封装和封装和测试测试。 18 IC 制造流程制造流程 前前道道生产生产流程：流程： 硅硅棒棒的的拉伸拉伸 晶棒成長 将多晶硅将多晶硅熔解熔解在在石石英炉英炉中，中，然然后后依靠依靠一一 根根石石英英棒棒慢慢慢慢的的拉拉出出纯纯净净的单晶硅的单晶硅棒

14、棒。 19 IC 制造流程制造流程 切割切割单晶硅单晶硅棒棒 切片(Slicing) 用用金刚金刚石石刀把刀把单晶硅单晶硅棒棒切切成一成一定定的的厚厚度度形形成成WAFER 单晶硅单晶硅棒棒的晶的晶向向有有三三个个方方向向分分别为别为：111、110、100 20 IC 制造流程制造流程 抛光抛光WAFER WAFER 的的表表面面被抛光被抛光成成镜镜面面。 拋光(Polishing) 21 IC 制造流程制造流程 氧氧化化WAFER 表表面面 WAFER 放放在在900 度度1100 度度的的氧氧化化炉炉中，中， 并并通通入入纯纯净净的的氧气氧气，在，在WAFER 表表面形面形成成氧氧化化

15、硅。硅。 22 IC 制造流程制造流程 覆覆上上光刻胶光刻胶 甩胶机 通通过旋过旋转转离心离心力力，均匀地均匀地在在WAFER表表面面 覆覆上一层上一层光刻胶光刻胶。 23 IC 制造流程制造流程 在在WAFER 表表面形面形成成图图案案 光刻示意图 通通过光学掩过光学掩模模板板和和曝光曝光技术技术在在WAFER 表表面形面形成成图图案案。 24 IC 制造流程制造流程 蚀刻蚀刻 使使用用蚀刻蚀刻来来移除相移除相应应的的氧氧化化层。层。 25 IC 制造流程制造流程 氧氧化化、扩散扩散、CVD 和和注注入离入离子子 对对WAFER 注注入离入离子子（磷磷、硼硼），然然后后 进进行行高高温温扩散

16、扩散，形形成成各各种集成器件。种集成器件。 26 IC 制造流程制造流程 磨磨平（平（CMP） 将将WAFER 表表面面磨磨平平。重重复复 到到， 在在WAFER 上上形形成成所所需需的的各各类器件类器件 27 IC 制造流程制造流程 形形成电成电极极 把铝把铝注注入入WAFER 表表面面的的相相应应位置位置， 形形成电成电极极。 28 IC 制造流程制造流程 WAFER 测试测试 对对WAFER 进进行行测试测试，把把不不合合格格的的 芯芯片片标记标记出出来来 29 IC 制造流程制造流程 切割切割WAFER 把把芯芯片片从从WAFER 上上切割切割下来下来。 30 IC 制造流程制造流程

17、固固定芯定芯片片 把把芯芯片片安置安置在在特特定定的的FRAME 上上 31 IC 制造流程制造流程 连连接接管管脚脚 用用25 微微米米的的纯纯金金线将线将芯芯片片和和FRAME上上 的的引脚引脚连连接接起来起来。 32 IC的透视图 IC 制造流程制造流程 33 IC 制造流程制造流程 封装封装 用用陶瓷陶瓷或或树脂树脂对对芯芯片片进进行行封装封装。 34 IC 制造流程制造流程 修正修正和和定定型（型（分分离离和和铸铸型）型） 把把芯芯片片和和FRAME 导线分导线分离离，使使芯芯片片外外部部 的导线的导线形形成一成一定定的的形形状状。 35 IC 制造流程制造流程 老老化化（温度（温度

18、电电压压）测试测试 在在提高提高环境环境温度和温度和芯芯片工作电片工作电压压的的情况情况下下 模拟模拟芯芯片的片的老老化化过过程，程，以以去除去除发发生生早期早期故故障障 的的产品产品. 36 IC 制造流程制造流程 成成品品检检测测及及可可靠靠性性测试测试 进进行电行电气特气特性性检检测测以以去除去除不不合合格格的的芯芯片片 成成品品检检测测：电：电气特气特性性检检测测 及及外外观检查观检查。 可可靠靠性性检检测测：实实际际工作工作环环 境境中的中的测试测试、长期长期工作的工作的 寿命寿命测试测试。 37 IC 制造流程制造流程 标记标记 在在芯芯片上用片上用激光打激光打上上产品产品名名 3

19、8 IC 测试测试 后后道工道工序序中的中的测试测试及设及设备备 在在后后道工道工序序开始开始之之前前要对要对wafer 进进行行功功 能测试能测试，这这样做样做可可以以避免避免对对不不合合格格的的IC 芯芯片片 进进行行封装封装，从从而而减减少少不不必必要的要的浪费浪费，减减少少生生 产产成成本本。 39 IC 测试测试 剔剔除除废废品品IC 的方法：的方法： 1 使使用用墨墨印印器器（Inker）给给不不合合格格的的IC 芯芯 片上片上打打上上墨墨印印。在。在后后道工道工序序中，在中，在划划片的片的时时 候丢弃候丢弃被打被打上上墨墨印印的的IC 。 2 也也可可以以不不用用墨墨印印器，器，

20、而而直直接记接记录录下下出出问问 题题的的IC 芯芯片在片在wafer 上的上的坐坐标标。在。在后后道工道工序序 中中（切割切割wafer 时）时）根根据据该坐该坐标标丢弃丢弃IC。 40 IC 测试测试 后后道道测试测试中中需需要要使使用的设用的设备备： (1) 测试测试系统系统（test system）：测试测试系统系统 生生成成测试测试IC 时时所所需需的的各各种信号，并种信号，并且且检检测测IC 的的输出输出信号。信号。根根据据检检测测的的结结果果，测试测试系统判系统判 断断所所测测的的IC 是是否否合合格格，并将，并将测试测试的的结结果传果传输输 给给wafer prober。 (2

21、) Wafer prober：wafer prober 将将 wafer 从从工作工作台台上上移移送送到测试到测试头头下面下面，并将，并将 探探针针卡卡上的针上的针脚压脚压在在IC芯芯片上，片上，形形成成良好良好的的 电电气接气接触触。Wafer prober 还还要要根根据据测试测试系统系统 的的测试结测试结果果，给给不不合合格格的的IC 打打上上墨墨印印。 41 IC 测试测试 (3) 探探针针卡卡（probe card）： 探探针针卡负责卡负责测试测试系统系统与与IC 芯芯片片之间之间的电的电 气气连连接接。在。在探探针针卡卡上上有有很很多的多的探探针针（needle ）。测试测试时时，

22、这这些探些探针针被压被压到到IC 芯芯片的电片的电极极 板板上，上，从从而而完成与完成与IC 芯芯片的电片的电气气连连接接。 42 IC 测试测试 43 IC 测试测试 封装封装测试测试/ 最最终终测试测试 在完成在完成封装封装测试测试的的过过程中，程中，我我们们要用要用到到 的的测试测试系统系统和和HANDLER。 44 IC 测试测试 测试测试系统系统到到底做些底做些什么什么？ 测试测试系统会系统会向向所所测试测试的的IC 加加上信号，上信号，然然后后从从IC 的的输出输出端端接接受受IC 的的输出输出信号，信号，以以判判断断该该IC 芯芯片是片是否否 合合格格。 HANDLER 到到底底

23、是什么是什么？ HANDLER 即即是是机机械手械手，它它把所把所要要测试测试的的IC 芯芯 片片从从托盘托盘里里移移至至测试测试平平台台上。在上。在测试结测试结束束后后，它它通通 过接过接受受信号，信号，把把合合格格与与不不合合格格的的IC 芯芯片片移移至至相相应应的的 平平台台 。HANDLER 还还能能根根据据测试测试要要求求对对IC 芯芯片片进进行行 加加热热和和冷却冷却。 45 IC 测试测试 TRAY （托盘托盘）是什么是什么？ 通常通常在在使使用用HANDLER 把把芯芯片片放放在一在一个个 TRAY 中，对中，对于于各各种种不不同同形形状状的的IC，我我们们相相 对对有有不不同同的的TRAY。在。在测试台测试台，HANDLER 根根据据P/F 把把IC 放放在在两个两个不不同同的的TRAY 中。中。 46 Q U E S T I O N SQ U E S T I O N S A N S W E R SA N S W E R S