幾千萬個晶體管 怎么放進芯片里

芯片一般是指集成電路的載體,也是集成電路經過設計、制造、封裝、測試后的結果,通常是一個可以立即使用的獨立的整體。如果把中央處理器CPU比喻為整個電腦系統的心臟,那么主板上的芯片組就是整個身體的軀干。對于主板而言,芯片組幾乎決定了這塊主板的功能

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管理員 2021-03-25 16:40

芯片一般是指集成電路的載體,也是集成電路經過設計、制造、封裝、測試后的結果,通常是一個可以立即使用的獨立的整體。如果把中央處理器CPU比喻為整個電腦系統的心臟,那么主板上的芯片組就是整個身體的軀干。對于主板而言,芯片組幾乎決定了這塊主板的功能,進而影響到整個電腦系統性能的發揮,芯片組是主板的靈魂。

那么要想造個芯片,首先,你得畫出來一個長這樣的玩意兒給Foundry (外包的晶圓制造公司)▼

再放大▼

我們終于看到一個門電路啦! 這是一個NAND Gate(與非門),大概是這樣▼

A, B 是輸入, Y是輸出

其中藍色的是金屬1層,綠色是金屬2層,紫色是金屬3層,粉色是金屬4層。那晶體管(“晶體管”自199X年以后已經主要是 MOSFET, 即場效應管了 ) 呢?仔細看圖,看到里面那些白色的點嗎?那是襯底,還有一些綠色的邊框?那些是Active Layer (也即摻雜層)。

Foundry是怎么做的呢? 大體上分為以下幾步:

首先搞到一塊圓圓的硅晶圓, (就是一大塊晶體硅, 打磨的很光滑, 一般是圓的)

圖片按照生產步驟排列. 但是步驟總結單獨寫出.

1、濕洗(用各種試劑保持硅晶圓表面沒有雜質)

2、光刻(用紫外線透過蒙版照射硅晶圓, 被照到的地方就會容易被洗掉, 沒被照到的地方就保持原樣. 于是就可以在硅晶圓上面刻出想要的圖案. 注意, 此時還沒有加入雜質, 依然是一個硅晶圓. )

3、 離子注入(在硅晶圓不同的位置加入不同的雜質, 不同雜質根據濃度/位置的不同就組成了場效應管.)

4.1、干蝕刻(之前用光刻出來的形狀有許多其實不是我們需要的,而是為了離子注入而蝕刻的。現在就要用等離子體把他們洗掉,或者是一些第一步光刻先不需要刻出來的結構,這一步進行蝕刻).

4.2、濕蝕刻(進一步洗掉,但是用的是試劑, 所以叫濕蝕刻)—— 以上步驟完成后, 場效應管就已經被做出來啦,但是以上步驟一般都不止做一次, 很可能需要反反復復的做,以達到要求。

5、等離子沖洗(用較弱的等離子束轟擊整個芯片)

6、熱處理,其中又分為:

6.1 快速熱退火 (就是瞬間把整個片子通過大功率燈啥的照到1200攝氏度以上, 然后慢慢地冷卻下來, 為了使得注入的離子能更好的被啟動以及熱氧化)

6.2 退火

6.3 熱氧化 (制造出二氧化硅, 也即場效應管的柵極(gate) )

7、化學氣相淀積(CVD),進一步精細處理表面的各種物質

8、物理氣相淀積 (PVD),類似,而且可以給敏感部件加coating

9、分子束外延 (MBE)?如果需要長單晶的話就需要。

10、電鍍處理

11、化學/機械表面處理

12、晶圓測試

13、晶圓打磨就可以出廠封裝了。

再通過圖示來一步步看▼

1、上面是氧化層, 下面是襯底(硅)——濕洗

2、一般來說, 先對整個襯底注入少量(10^10 ~ 10^13 / cm^3) 的P型物質(最外層少一個電子),作為襯底——離子注入

3、先加入Photo-resist, 保護住不想被蝕刻的地方——光刻

4、上掩膜!(就是那個標注Cr的地方。中間空的表示沒有遮蓋,黑的表示遮住了。) —— 光刻

5、紫外線照上去,下面被照得那一塊就被反應了——光刻

6、撤去掩膜——光刻

7、把暴露出來的氧化層洗掉, 露出硅層(就可以注入離子了)——光刻

8、把保護層撤去. 這樣就得到了一個準備注入的硅片. 這一步會反復在硅片上進行(幾十次甚至上百次)——光刻

9、然后光刻完畢后, 往里面狠狠地插入一塊少量(10^14 ~ 10^16 /cm^3) 注入的N型物質就做成了一個N-well (N-井)——離子注入

10、用干蝕刻把需要P-well的地方也蝕刻出來,也可以再次使用光刻刻出來——干蝕刻

11、上圖將P-型半導體上部再次氧化出一層薄薄的二氧化硅—— 熱處理

12、用分子束外延處理長出的一層多晶硅,該層可導電——分子束外延

13、進一步的蝕刻,做出精細的結構。(在退火以及部分CVD)—— 重復3-8光刻 + 濕蝕刻

14、再次狠狠地插入大量(10^18 ~ 10^20 / cm^3) 注入的P/N型物質,此時注意MOSFET已經基本成型——離子注入

15、用氣相積淀 形成的氮化物層 —— 化學氣相積淀

16、將氮化物蝕刻出溝道——光刻 + 濕蝕刻

17、物理氣相積淀長出 金屬層——物理氣相積淀

18、將多余金屬層蝕刻。光刻 + 濕蝕刻重復 17-18 次長出每個金屬層。

附圖的步驟在每幅圖的下面標注,一共18步。

最終成型大概長這樣:

其中,步驟1-15 屬于 前端處理 (FEOL),也即如何做出場效應管。步驟16-18 (加上許許多多的重復) 屬于后端處理 (BEOL),后端處理主要是用來布線。最開始那個大芯片里面能看到的基本都是布線!一般一個高度集中的芯片上幾乎看不見底層的硅片,都會被布線遮擋住。

SOI (Silicon-on-Insulator) 技術:

傳統CMOS技術的缺陷在于:襯底的厚度會影響片上的寄生電容,間接導致芯片的性能下降。SOI技術主要是將 源極/漏極 和 硅片襯底分開,以達到(部分)消除寄生電容的目的。

傳統:

SOI:

制作方法主要有以下幾種(主要在于制作硅-二氧化硅-硅的結構,之后的步驟跟傳統工藝基本一致。)

1. 高溫氧化退火:

在硅表面離子注入一層氧離子層

等氧離子滲入硅層, 形成富氧層

高溫退火

成型

或者是

2. Wafer Bonding(用兩塊! )不是要做夾心餅干一樣的結構嗎? 爺不差錢! 來兩塊!

對硅2進行表面氧化

對硅2進行氫離子注入對硅2進行氫離子注入

翻面

將氫離子層處理成氣泡層將氫離子層處理成氣泡層

切割掉多余部分切割掉多余部分

成型 + 再利用

光刻

離子注入離子注入

微觀圖長這樣:

再次光刻+蝕刻

撤去保護, 中間那個就是Fin撤去保護, 中間那個就是Fin

門部位的多晶硅/高K介質生長門部位的多晶硅/高K介質生長

門部位的氧化層生長門部位的氧化層生長

長成這樣

源極 漏極制作(光刻+ 離子注入)

初層金屬/多晶硅貼片

蝕刻+成型

物理氣相積淀長出表面金屬層(因為是三維結構, 所有連線要在上部連出)

機械打磨(對! 不打磨會導致金屬層厚度不一致)

成型! 成型!

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