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芯片内上百亿的晶体管，是怎么"安"上去的？

百家 作者：智能制造IM 2021-01-17 23:22:26

如今的 7nm EUV 芯片，晶体管多达 100 亿个，它们是怎么样安上去的呢？


晶体管并非是安装上去的，芯片制造其实分为沙子 - 晶圆，晶圆 - 芯片这样的过程，而在芯片制造之前，IC 设计要负责设计好芯片，然后交给晶圆代工厂。

芯片设计分为前端设计和后端设计，前端设计（也称逻辑设计）和后端设计（也称物理设计）并没有统一严格的界限，涉及到与工艺有关的设计就是后端设计。芯片设计要用专业的 EDA 工具。


如果我们将设计的门电路放大，白色的点就是衬底，还有一些绿色的边框就是掺杂层。


当芯片设计好了之后，就要制造出来，晶体管就是在晶圆上直接雕出来的，晶圆越大，芯片制程越小，就能切割出更多的芯片，效率就会更高。

举个例子，就好像切西瓜一样，西瓜更大的，但是原来是切成 3 厘米的小块，现在换成了 2 厘米，是不是块数就更多。所以现在的晶圆从 2 寸、4 寸、6 寸、8 寸到现在 16 寸大小。

制程这个概念，其实就是栅极的大小，也可以成为栅长，它的距离越短，就可以放下更多的晶体管，这样就不会让芯片不会因技术提升而变得更大，使用更先进的制造工艺，芯片的面积和功耗就越小。但是我们如果将栅极变更小，源极和漏极之间流过的电流就会越快，工艺难度会更大。


芯片制造共分为七大生产区域，分别是扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜生长、抛光、金属化。

其中雕出晶圆的最重要的两个步骤就是光刻和蚀刻，光刻技术是一种精密的微细加工技术。

常规光刻技术是采用波长为 2000～4500 的紫外光作为图像信息载体，以光致抗光刻技术蚀剂为中间（图像记录）媒介实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到晶片(主要指硅片)或介质层上的一种工艺。


光刻技术就是把芯片制作所需要的线路与功能区做出来。简单来说芯片设计人员设计的线路与功能区“印进”晶圆之中，类似照相机照相。

照相机拍摄的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是电路图和其他电子元件。


而蚀刻技术就是利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。

集成电路各功能层是立体重叠的，因而光刻工艺总是多次反复进行。例如，大规模集成电路要经过约 10 次光刻才能完成各层图形的全部传递。

在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法腐蚀。目前主流所用的还是干法刻蚀工艺，利用干法刻蚀工艺的就叫等离子体蚀刻机。

在集成电路制造过程中需要多种类型的干法刻蚀工艺，应用涉及硅片上各种材料。被刻蚀材料主要包括介质、硅和金属等，通过与光刻、沉积等工艺多次配合可以形成完整的底层电路、栅极、绝缘层以及金属通路等。


在涂满光刻胶的晶圆（或者叫硅片）上盖上事先做好的光刻板，然后用紫外线隔着光刻板对晶圆进行一定时间的照射。原理就是利用紫外线使部分光刻胶变质，易于腐蚀。


溶解光刻胶：光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉，清除后留下的图案和掩模上的一致。


“刻蚀”是光刻后，用腐蚀液将变质的那部分光刻胶腐蚀掉（正胶），晶圆表面就显出半导体器件及其连接的图形。然后用另一种腐蚀液对晶圆腐蚀，形成半导体器件及其电路。


清除光刻胶：蚀刻完成后，光刻胶的使命宣告完成，全部清除后就可以看到设计好的电路图案。


这里说一下，什么是光刻胶。我们要知道电路设计图首先通过激光写在光掩模版上，然后光源通过掩模版照射到附有光刻胶的硅片表面，引起曝光区域的光刻胶发生化学效应，再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域，使掩模版上的电路图转移到光刻胶上，最后利用刻蚀技术将图形转移到硅片上。


而光刻根据所采用正胶与负胶之分，划分为正性光刻和负性光刻两种基本工艺。在正性光刻中，正胶的曝光部分结构被破坏，被溶剂洗掉，使得光刻胶上的图形与掩模版上图形相同。

相反地，在负性光刻中，负胶的曝光部分会因硬化变得不可溶解，掩模部分则会被溶剂洗掉，使得光刻胶上的图形与掩模版上图形相反。


可以说，在晶圆制造中，直径 30 厘米的圆形硅晶薄片穿梭在各种极端精密的加工设备之间，由它们在硅片表面制作出只有发丝直径千分之一的沟槽或电路。

热处理、光刻、刻蚀、清洗、沉积……每块晶圆要昼夜无休地被连续加工两个月，经过成百上千道工序，最终集成了海量的微小电子器件，经切割、封装，成为信息社会的基石——芯片。


这是一个 Top-down View 的 SEM 照片，可以非常清晰的看见 CPU 内部的层状结构，越往下线宽越窄，越靠近器件层。


这是 CPU 的截面视图，可以清晰地看到层状的 CPU 结构，由上到下有大约 10 层，其中最下层为器件层，即是 MOSFET 晶体管。


来源：胖福的小木屋

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