摘要：半导体集成电路的生产过程极其复杂，我们可以通过生产晶圆、光刻、离子注入沉积等步骤进行生产，同时本文对其测试工艺也进行了分析和探讨，从多个角度全方位对其制造工艺进行解读，为其进一步发展打下坚实的基础。

集成电路制造工艺探析

陈杰

（中芯国际集成电路制造（上海）有限公司）

摘要：

半导体集成电路的生产过程极其复杂，我们可以通过生产晶圆、光刻、离子注入沉积等步骤进行生产，同时本文对其测试工艺也进行了分析和探讨，从多个角度全方位对其制造工艺进行解读，为其进一步发展打下坚实的基础。

一、集成电路制造原则

在设计过程中，应该将系统连接、安全隔离等安全措施考虑进来，从而为系统安全提供保证，谐振装置应当与旧产品、同类其他产品兼容，做好防静电工作。

（一）实战服务。设计与制造集成电路应该与国家相关部门的规定、要求相契合，使效能提升、手段完善，在各个环节当中最大限度地发挥系统环保功效。

（二）节约资源。集成电路应该将现阶段所具备的系统资源最大限度的整合，使得网络与通信设备最大限度利用起来，将信息数据予以有效共享，树立实用与经济理念，预防出现重复设计与制造。

（三）可持续发展。受到科技发展迅速的影响，加之工厂不断扩大的规模，设计与制造的集成电路必须将眼光放在将来，基于实战的考虑，新建的系统应和扩展、更新、调整的需要相适应，能够兼容别的系统，拥有可持续发展能力。

（四）可靠稳定。集成电路在设计与制造过程当中应该将实时运转大量数据信息资源、软件系统、硬件设备最大限度考虑进来，稳定运行系统，应该存在着周密备份方案，可以让系统出现异常的时候及时的进行补救，除此之外，还应该进行自动恢复，冗余容错数据存储系统与关键设备。应该实施分散控制与集中管理的方式设计系统结构，使各个子系统在通信网络支持下集中管理，从而拥有着相对完整的系统结构。

（五）安全保密。集成电路的特殊性使其环保系统存在着更高的安全性与保密性系统数据要求，在设计系统过程中，应该将系统连接、安全隔离与过滤信息等安全措施考虑进来，从而为系统安全提供保证。

（六）兼容性。集成电路将各种类型视频通讯模块、应用开发软件、数据库管理系统与旧产品、同类其他产品兼容。

二、集成电路制造工艺

（一）生产晶圆

半导体材料是单晶组成。而它是由大块的具有多晶结构和未掺杂的本征材料生长得来的。把多晶块转变成一个大单晶，并给予正确的晶向和适量的 N 型或 P 型掺杂，叫做晶体生长。有两种不同的生长方法，直拉法 和区熔法。

晶体的生长原理非常简单和熟悉。假设在最终要蒸发的饱和溶液中加入一些糖晶体。糖晶体的作用是作为额外的糖分子沉积的种子。最后这个晶体能生长的非常大。晶体的生长即使在缺乏种子的情况下也会发生，但产物中会有混乱的小的晶体。通过抑制不需要的晶核区，种子的使用能生长更大，更完美的晶体。

（二）光刻

光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。光刻是集成电路制造过程中最复杂和最关键的工艺之一。光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技术，通常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂。另—方面，光刻所能加工的线条越细，意味着工艺线水平越高。

光刻机需要依靠高质量的电源才能工作，目前能够输出频率高至 1MHz 的高频电压源基本上只有 FLUKE 公司的 5700系列，5700 系列在 1MHz 下最大输出电压为 20V，而且带负载能力有限。受负载能力的影响，感知反应电流测量网络和摆脱电流测量网络在 1MHz 下泄漏电流实际值分别在 32A 和77A 左右，对于 TOS3200，其分辨力为 1A，分辨力带入的影响分别达到 3% 和 1.3%，以 10% 定义模拟人体阻抗网络的误差限，感知反应电流测量网络泄漏电流显示分辨力引入的误差达到模拟人体阻抗网络的误差限 1/3，明细不能满足测量要求。基于以上原因，输出频率高至 1MHz 的高频电压源的最大输出电压应提高，带负载能力需加大。我们希望通过直接输入高频电流的方式对模拟阻抗网络测量的性能进行测量，这样更符合泄漏电流测试仪的实际工作状态；基于此，我们的解决方案是研发一台输出频率高至 1MHz 的宽频电流源，在解决 DC~1MHz 宽频电流量值溯源的基础上，利用宽频电流源直接对模拟人体阻抗网络输入高频电流，以此对网络进行性能评价。光刻电流幅值的量值溯源分为两部分，中国计量科学研究院已完成了 DC~200kHz 电流的量值溯源，主要采用同轴分流器进行传递，200kHz~1MHz 电流的量值溯源尚未解决。针对 200kHz~1MHz 频宽范围内的电流，我们采用高频分流器进行量值传递。鉴于“鼠笼式”同轴分流器具有较好的频率响应，同时泄漏电流在 200kHz~1MHz 范围内准确度要求较低，我们的高频分流器采用“鼠笼”结构进行设计，考虑到实际使用需求，我们做了 20mA 和 100mA 两只高频分流器。

（三）离子注入与沉积

离子注入是将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术，电离的杂质原子经静电场加速。离子注入是另一种掺杂技术，离子注入掺杂也分为两个步骤：离子注入和退火再分布。离子注入是通过高能离子束轰击硅片表面，在掺杂窗口处，杂质离子被注入硅本体，在其他部位，杂质离子被硅表面的保护层屏蔽，完成选择掺杂的过程。进入硅中的杂质离子在一定的位置形成一定的分布。离子注入参数包括剂量和射程，剂量定义是单位面积硅片表面注入的离子数，正比于离子束电流。

淀积铝也称为金属化工艺，它是在真空设备中进行的。在硅片的表面形成一层铝膜。薄膜是在衬底上生长的薄固体物质。薄膜类型：导电薄膜；绝缘薄膜；多晶硅薄膜。薄膜的淀积方法分为物理气相淀积（PVD），化学气相淀积（CVD）。

三、集成电路测试

我们利用锰铜丝来进行金属引线替换时，可以计算其直流电阻为 1.076983 欧姆，时间常数是 1.70×10-9，我们在频率为 1MHz 时候计算其交直流差小于 1×10-4，因此起可以满足交流电流的传递需求。由于目前交流电流源输出频率上限为100 kHz~200 kHz，无法直接满足 1MHz 交流电流量值溯源需求，因此采用交流电压源输出模式，将被测分流器与已知交流值的标准分流器进行串联连接，同时为了减少串联过程成对地端容性泄露影响，在实际测量过程中将被测和标准分流器换臂测量，RS 为已知阻值的标准分流器，RX 为被测分流器，在实际测量过程中，采用高精度交流电压表分别测量RS 和 RX 输出端电压，记为 US 和 UX，从而确定被测分流器在10 kHz~1 MHz 的幅频特性。根据上述方案，我们对 20mA和100mA 两只高频分流器进行了校准。根据项目任务书的分工，宽频小电流源由长沙天恒测控技术有限公司研制，天恒测控研制的 TD1210 型宽频电压电流标准源不仅具有宽频电流输出，而且具有宽频电压输出，满足了项目的需求。TD1210型宽频电压电流标准源是一款高准确度宽频的交直流标准源，可精准输出交流电压 / 电流、直流电压 / 电流，并可实现高端电流、低端电流和电压的同时测量。频率范围：DC，15Hz ～ 1 MHz。交直流电流最大输出为 110 mA，最大负载电压为70V，带负载能力强；直流电压最大输出为 110 V，交流电压最大输出为 80V。

设备配有高清触摸屏，可智能操作。整个电路系统分为数字部分和模拟部分，为减少干扰，两者在电气上相互隔离。

a. 数字部分的核心是 CPU 和 FPGA，主要负责控制模拟部分的量程和反馈方式切换，与 ADC、DAC 以及显示屏、键盘等的通讯。

b. 模拟部分为积分反馈式结构。数字电路通过 SPI 协议令两个 DAC 分别产生一个直流调节电压信号 ADJ 和一个交流正弦电压信号（设备作直流源时该 DAC 产生一直流电压），ADJ 经积分器积分后与交流正弦信号接到乘法器输入端，乘法器将两个输入信号相乘，经高频功放进行放大处理并提高输出能力后输出到红黑端子。

三路采样测量电路用于测量输出的高端电流 IH、低端电流IL 和输出电压 U，其中高端电流测量的目的是为了观测在高频情况下被检表由于其对地等电容的影响导致的漏电流大小。高端电流 IH、低端电流 IL 的采样都是使用电流采样电阻进行 I/V 转换再送到 ADC；输出电压的采样则是通过电阻分压转换成小电压送到 ADC。开关 S1 通过切换不同的反馈信号来切换反馈方式，当设备用作电流源输出时，反馈信号为低端电流采样转换后的电压信号，当设备用作电压源输出时，反馈信号为输出电压采样转换后的电压信号。无论哪种方式，在交流源输出时的反馈信号都是交流量，因此需要经过整流变为直流再送到积分器，与调节信号 AD 组成完整的反馈回路。保护电路基于积分反馈电路特性，用于检测设备工作状态，当设备出现过载等故障时切断输出，保护设备。

四、总结

我们无法对集成电路的内部电流进行直接的检测，但是我们可以通过检测其感应电势和电流来判断其运行情况，通过我们的工程验证可以证实无论是正常运行还是出现故障。在文章的最后，感谢我的同事们对我一直以来的大力支持。

来源：半导体封装工程师之家