晶片裡面100多億個電晶體是如何安裝上去的?

2020-12-24 騰訊網

如今隨著晶片製程的不斷提升，晶片中可以有100多億個電晶體，如此之多的電晶體，究竟是如何安上去的呢？

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當晶片被不停地放大，裡面宛如一座巨大的城市。

這是一個Top-down View 的SEM照片，可以非常清晰的看見CPU內部的層狀結構，越往下線寬越窄，越靠近器件層。

這是CPU的截面視圖，可以清晰的看到層狀的CPU結構，晶片內部採用的是層級排列方式，這個CPU大概是有10層。其中最下層為器件層，即是MOSFET電晶體。

Mos管在晶片中放大可以看到像一個「講臺」的三維結構，電晶體是沒有電感、電阻這些容易產生熱量的器件的。最上面的一層是一個低電阻的電極，通過絕緣體與下面的平臺隔開，它一般是採用了P型或N型的多晶矽用作柵極的原材料，下面的絕緣體就是二氧化矽。

平臺的兩側通過加入雜質就是源極和漏極，它們的位置可以互換，兩者之間的距離就是溝道，就是這個距離決定了晶片的特性。

當然，晶片中的電晶體不僅僅只有Mos管這一種類，還有三柵極電晶體等，電晶體不是安裝上去的，而是在晶片製造的時候雕刻上去的。

在進行晶片設計的時候，晶片設計師就會利用EDA工具，對晶片進行布局規劃，然後走線、布線。

如果我們將設計的門電路放大，白色的點就是襯底, 還有一些綠色的邊框就是摻雜層。

晶圓代工廠就是根據晶片設計師設計好的物理版圖進行製造。

晶片製造的兩個趨勢，一個是晶圓越來越大，這樣就可以切割出更多的晶片，節省效率，另外就一個就是晶片製程，製程這個概念，其實就是柵極的大小，也可以稱為柵長，在電晶體結構中，電流從Source流入Drain，柵極（Gate）相當於閘門，主要負責控制兩端源極和漏級的通斷。

電流會損耗，而柵極的寬度則決定了電流通過時的損耗，表現出來就是手機常見的發熱和功耗，寬度越窄，功耗越低。而柵極的最小寬度（柵長），也就是製程。

縮小納米製程的用意，就是可以在更小的晶片中塞入更多的電晶體，讓晶片不會因技術提升而變得更大。

但是我們如果將柵極變更小，源極和漏極之間流過的電流就會越快，工藝難度會更大。

晶片製造過程共分為七大生產區域，分別是擴散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、拋光、金屬化，光刻和刻蝕是其中最為核心的兩個步驟。

而電晶體就是通過光刻和蝕刻雕刻出來的，光刻就是把晶片製作所需要的線路與功能區做出來。

利用光刻機發出的光通過具有圖形的光罩對塗有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見光後會發生性質變化，從而使光罩上的圖形複印到薄片上，從而使薄片具有電子線路圖的作用。

這就是光刻的作用，類似照相機照相。照相機拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。

刻蝕是使用化學或者物理方法有選擇地從矽片表面去除不需要材料的過程。通常的晶圓加工流程中，刻蝕工藝位於光刻工藝之後，有圖形的光刻膠層在刻蝕中不會受到腐蝕源的顯著侵蝕，從而完成圖形轉移的工藝步驟。刻蝕環節是複製掩膜圖案的關鍵步驟。

而其中，還涉及到的材料就是光刻膠，我們要知道電路設計圖首先通過雷射寫在光掩模板上，然後光源通過掩模板照射到附有光刻膠的矽片表面，引起曝光區域的光刻膠發生化學效應，再通過顯影技術溶解去除曝光區域或未曝光區域，使掩模板上的電路圖轉移到光刻膠上，最後利用刻蝕技術將圖形轉移到矽片上。

而光刻根據所採用正膠與負膠之分，劃分為正性光刻和負性光刻兩種基本工藝。在正性光刻中，正膠的曝光部分結構被破壞，被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相同。

相反地，在負性光刻中，負膠的曝光部分會因硬化變得不可溶解，掩模部分則會被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相反。

我們可以簡單地從微觀上講解這個步驟。

在塗滿光刻膠的晶圓（或者叫矽片）上蓋上事先做好的光刻板，然後用紫外線隔著光刻板對晶圓進行一定時間的照射。原理就是利用紫外線使部分光刻膠變質，易於腐蝕。

溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除後留下的圖案和掩模上的一致。

「刻蝕」是光刻後，用腐蝕液將變質的那部分光刻膠腐蝕掉（正膠），晶圓表面就顯出半導體器件及其連接的圖形。然後用另一種腐蝕液對晶圓腐蝕，形成半導體器件及其電路。

清除光刻膠：蝕刻完成後，光刻膠的使命宣告完成，全部清除後就可以看到設計好的電路圖案。

而100多億個電晶體就是通過這樣的方式雕刻出來的，電晶體可用於各種各樣的數字和模擬功能，包括放大，開關，穩壓，信號調製和振蕩器。

電晶體越多就可以增加處理器的運算效率；再者，減少體積也可以降低耗電量；最後，晶片體積縮小後，更容易塞入行動裝置中，滿足未來輕薄化的需求。

▲ 晶片電晶體橫截面

到了3nm之後，目前的電晶體已經不再適用，目前，半導體行業正在研發nanosheet FET（GAA FET）和nanowire FET（MBCFET），它們被認為是當今finFET的前進之路。

三星押注的是GAA環繞柵極電晶體技術，臺積電目前還沒有公布其具體工藝細節。三星在2019年搶先公布了GAA環繞柵極電晶體，根據三星官方的說法，基於全新的GAA電晶體結構，三星通過使用納米片設備製造出MBCFET(Multi-Bridge-Channel FET，多橋-通道場效應管)，該技術可以顯著增強電晶體性能，取代FinFET電晶體技術。

此外，MBCFET技術還能兼容現有的FinFET製造工藝的技術及設備，從而加速工藝開發及生產。

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今天找到了臺積電晶圓製造過程的視頻，大家一起看一下哦。

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這是一個講解從原材料到晶片製造過程的視頻，比較全面。視頻是由從 AMD 剝離出來的晶片製造工廠格羅方德（GlobalFoundries）拍攝的。

來源：金屬加工

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