晶片內有上百億的電晶體,它們是怎麼安上去的呢?

2020-12-28 胖福的小木屋

如今的7nm EUV 晶片,電晶體多大100億個,它們是怎麼樣安上去的呢

電晶體並非是安裝上去的,晶片製造其實分為沙子-晶圓,晶圓-晶片這樣的過程,而在晶片製造之前,IC涉及要負責設計好晶片,然後交給晶圓代工廠。

晶片設計分為前端設計和後端設計,前端設計(也稱邏輯設計)和後端設計(也稱物理設計)並沒有統一嚴格的界限,涉及到與工藝有關的設計就是後端設計。晶片設計要用專業的EDA工具。

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。

當晶片設計好了之後,就要製造出來,電晶體就是在晶圓上直接雕出來的,晶圓越大,晶片製程越小,就能切割出更多的晶片,效率就會更高。

舉個例子,就好像切西瓜一樣,西瓜更大的,但是原來是切成3釐米的小塊,現在換成了2釐米,是不是塊數就更多。所以現在的晶圓從 2 寸、4 寸、6 寸、8 寸到現在 16 寸大小,

製程這個概念,其實就是柵極的大小,也可以成為柵長,它的距離越短,就可以放下更多的電晶體,這樣就不會讓晶片不會因技術提升而變得更大,使用更先進的製造工藝,晶片的面積和功耗就越小。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。

其中雕出晶圓的最重要的兩個步驟就是光刻和蝕刻,光刻技術是一種精密的微細加工技術。常規光刻技術是採用波長為2000~4500的紫外光作為圖像信息載體,以光致抗光刻技術蝕劑為中間(圖像記錄)媒介實現圖形的變換、轉移和處理,最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指矽片)或介質層上的一種工藝。

光刻技術就是把晶片製作所需要的線路與功能區做出來。簡單來說晶片設計人員設計的線路與功能區「印進」晶圓之中,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。

而蝕刻技術就是利用化學或物理方法,將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質層除去,從而在晶片表面或介質層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的,因而光刻工藝總是多次反覆進行。例如,大規模集成電路要經過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。

在半導體製造中有兩種基本的刻蝕工藝:幹法刻蝕和溼法腐蝕。目前主流所用的還是幹法刻蝕工藝,利用幹法刻蝕工藝的就叫等離子體蝕刻機。

在集成電路製造過程中需要多種類型的幹法刻蝕工藝,應用涉及矽片上各種材料。被刻蝕材料主要包括介質、矽和金屬等,通過與光刻、沉積等工藝多次配合可以形成完整的底層電路、柵極、絕緣層以及金屬通路等。

驅動之家有一片的CPU的製造過程,《從沙子到晶片:且看處理器是怎樣煉成的》,就從微觀上講解了這個步驟。

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。

這裡說一下,什麼是光刻膠。我們要知道電路設計圖首先通過雷射寫在光掩模版上,然後光源通過掩模版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,使掩模版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。

可以說,在晶圓製造中,直徑30釐米的圓形矽晶薄片穿梭在各種極端精密的加工設備之間,由它們在矽片表面製作出只有髮絲直徑千分之一的溝槽或電路。熱處理、光刻、刻蝕、清洗、沉積……每塊晶圓要晝夜無休地被連續加工兩個月,經過成百上千道工序,最終集成了海量的微小電子器件,經切割、封裝,成為信息社會的基石——晶片。

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,可以清晰地看到層狀的CPU結構,由上到下有大約10層,其中最下層為器件層,即是MOSFET電晶體

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