半导体集成电路设计和工艺

半导体集成电路设计和工艺

汪超

（福建省晋华集成电路有限公司福建省362200）

摘要：在半导体集成电路生产时，其过程非常复杂，我们在生产时可以通过生产晶圆、光刻、离子注入沉积等步骤，同时本文探讨与分析了其测试工艺，从多个角度对其制造工艺全方位进行解读，从而为其进一步发展打下坚实的基础。

关键词：集成电路；制造工艺；探析

1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。

1.1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。

1.2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。

1.3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。

2集成电路制造工艺

2.1生产晶圆

由单晶组成了半导体材料。半导体材料的组成是由较大块的，并且具有多晶结构和未掺杂的本征材料生长得来的。晶体生长就是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。直拉法和区熔法是两种不同的生长方法。

晶体有着较为简单和熟悉的生长原理。如果在最终要蒸发的饱和溶液中对一些糖晶体适当加入。那么糖晶体的作用就是是作为额外的糖分子沉积的种子。到最后使得这个晶体能够长的非常大。晶体的生长就是在种子不足的情况下也会发生，但产物中会出现一些较为混乱的小晶体。通过对不需要的晶核区加以抑制，种子的使用能生长为更大、更完美的晶体。

2.2光刻

图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术就是指的光刻。而进行光刻的主要目标就是在二氧化硅或金属薄膜上面对与掩膜版完全对应的几何图形刻蚀出来，以此达到选择性扩散和金属薄膜布线的目的。集成电路制造过程中最复杂和最关键的工艺之一就是光刻。光刻是对集成电路微图形结构加工的关键工艺技术，一般来说，光刻次数越多，就说明其工艺越复杂。并且，光刻加工的线条越细就说明其工艺线水平越高。光刻机在工作时需要依靠高质量的电源，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。

3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100kHz~200kHz，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10kHz~1MHz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～1MHz。交直流电流最大输出为110mA，最大负载电压为70V，带负载能力强；直流电压最大输出为110V，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。

4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。

参考文献：

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