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如何將晶體管安裝到芯片內(nèi)

Wildesbeast ? 來源:電子工程專輯 ? 作者:電子工程專輯 ? 2020-12-26 09:53 ? 次閱讀
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如今的7nm EUV 芯片,晶體管多大100億個(gè),它們是怎么樣安上去的呢?

晶體管并非是安裝上去的,芯片制造其實(shí)分為沙子-晶圓,晶圓-芯片這樣的過程,而在芯片制造之前,IC涉及要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)好芯片,然后交給晶圓代工廠。

芯片設(shè)計(jì)分為前端設(shè)計(jì)和后端設(shè)計(jì),前端設(shè)計(jì)(也稱邏輯設(shè)計(jì))和后端設(shè)計(jì)(也稱物理設(shè)計(jì))并沒有統(tǒng)一嚴(yán)格的界限,涉及到與工藝有關(guān)的設(shè)計(jì)就是后端設(shè)計(jì)。芯片設(shè)計(jì)要用專業(yè)的EDA工具

如果我們將設(shè)計(jì)的門電路放大,白色的點(diǎn)就是襯底, 還有一些綠色的邊框就是摻雜層。

當(dāng)芯片設(shè)計(jì)好了之后,就要制造出來,晶體管就是在晶圓上直接雕出來的,晶圓越大,芯片制程越小,就能切割出更多的芯片,效率就會(huì)更高。

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

制程這個(gè)概念,其實(shí)就是柵極的大小,也可以成為柵長,它的距離越短,就可以放下更多的晶體管,這樣就不會(huì)讓芯片不會(huì)因技術(shù)提升而變得更大,使用更先進(jìn)的制造工藝,芯片的面積和功耗就越小。但是我們?nèi)绻麑艠O變更小,源極和漏極之間流過的電流就會(huì)越快,工藝難度會(huì)更大。

芯片制造共分為七大生產(chǎn)區(qū)域,分別是擴(kuò)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(gè)步驟就是光刻和蝕刻,光刻技術(shù)是一種精密的微細(xì)加工技術(shù)。常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長為2000~4500的紫外光作為圖像信息載體,以光致抗光刻技術(shù)蝕劑為中間(圖像記錄)媒介實(shí)現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理,最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝。

光刻技術(shù)就是把芯片制作所需要的線路與功能區(qū)做出來。簡單來說芯片設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的線路與功能區(qū)“印進(jìn)”晶圓之中,類似照相機(jī)照相。照相機(jī)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(shù)就是利用化學(xué)或物理方法,將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去,從而在晶片表面或介質(zhì)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復(fù)進(jìn)行。例如,大規(guī)模集成電路要經(jīng)過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。

半導(dǎo)體制造中有兩種基本的刻蝕工藝:干法刻蝕和濕法腐蝕。目前主流所用的還是干法刻蝕工藝,利用干法刻蝕工藝的就叫等離子體蝕刻機(jī)。

在集成電路制造過程中需要多種類型的干法刻蝕工藝,應(yīng)用涉及硅片上各種材料。被刻蝕材料主要包括介質(zhì)、硅和金屬等,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。

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驅(qū)動(dòng)之家有一片的CPU的制造過程,《從沙子到芯片:且看處理器是怎樣煉成的》,就從微觀上講解了這個(gè)步驟。

在涂滿光刻膠的晶圓(或者叫硅片)上蓋上事先做好的光刻板,然后用紫外線隔著光刻板對晶圓進(jìn)行一定時(shí)間的照射。原理就是利用紫外線使部分光刻膠變質(zhì),易于腐蝕。

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,清除后留下的圖案和掩模上的一致。

“刻蝕”是光刻后,用腐蝕液將變質(zhì)的那部分光刻膠腐蝕掉(正膠),晶圓表面就顯出半導(dǎo)體器件及其連接的圖形。然后用另一種腐蝕液對晶圓腐蝕,形成半導(dǎo)體器件及其電路。

清除光刻膠:蝕刻完成后,光刻膠的使命宣告完成,全部清除后就可以看到設(shè)計(jì)好的電路圖案。

這里說一下,什么是光刻膠。我們要知道電路設(shè)計(jì)圖首先通過激光寫在光掩模版上,然后光源通過掩模版照射到附有光刻膠的硅片表面,引起曝光區(qū)域的光刻膠發(fā)生化學(xué)效應(yīng),再通過顯影技術(shù)溶解去除曝光區(qū)域或未曝光區(qū)域,使掩模版上的電路圖轉(zhuǎn)移到光刻膠上,最后利用刻蝕技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。

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而光刻根據(jù)所采用正膠與負(fù)膠之分,劃分為正性光刻和負(fù)性光刻兩種基本工藝。在正性光刻中,正膠的曝光部分結(jié)構(gòu)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(fù)性光刻中,負(fù)膠的曝光部分會(huì)因硬化變得不可溶解,掩模部分則會(huì)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,在晶圓制造中,直徑30厘米的圓形硅晶薄片穿梭在各種極端精密的加工設(shè)備之間,由它們在硅片表面制作出只有發(fā)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(xù)加工兩個(gè)月,經(jīng)過成百上千道工序,最終集成了海量的微小電子器件,經(jīng)切割、封裝,成為信息社會(huì)的基石——芯片。

這是一個(gè)Top-down View 的SEM照片,可以非常清晰的看見CPU內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),由上到下有大約10層,其中最下層為器件層,即是MOSFET晶體管

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