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如今的 7nm EUV 芯片，晶體管多達(dá) 100 億個(gè)，它們是怎么樣安上去的呢？
5 v* t! ?+ w$ T$ m) I9 `, V7 z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(guò)程，而在芯片制造之前，IC 設(shè)計(jì)要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)好芯片，然后交給晶圓代工廠。
* k1 Z$ k6 Q. P, a( ]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(méi)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。
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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。
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3 G( i6 G4 L( g! |6 i7 U: J當(dāng)芯片設(shè)計(jì)好了之后，就要制造出來(lái)，晶體管就是在晶圓上直接雕出來(lái)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。 7 m9 |9 x( Z( [& m* j- l# v# j% V6 f
舉個(gè)例子，就好像切西瓜一樣，西瓜更大的，但是原來(lái)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。
/ n( S" \' u; V8 ?制程這個(gè)概念，其實(shí)就是柵極的大小，也可以成為柵長(zhǎng)，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(guò)的電流就會(huì)越快，工藝難度會(huì)更大。
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* |7 ~1 O4 o# N) @3 j d/ d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(zhǎng)、拋光、金屬化。
, c v1 ], z3 f/ D' o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)。
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常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長(zhǎng)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。 ' B5 Z7 K C7 v0 Z
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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(lái)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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。 # F7 d5 o8 H+ {" H+ O9 A8 ^
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。
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$ H% j3 r6 i2 E; z5 U, Y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。 4 ?5 ~( y9 N1 k7 x; e
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(guò)約 10 次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。 ! N8 n+ M& }- Y
在半導(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)。 : f1 D' l, u, ?* D- @, q
在集成電路制造過(guò)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(guò)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。 ![]() ! G! D! ^2 k/ C% \0 d
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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(duì)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。
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/ K5 S' r- E: k6 C2 U溶解光刻膠：光刻過(guò)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。 ![]() 3 b% J2 H7 ?4 e/ K l
& a$ M9 ^; \- e& E2 }0 B2 W5 e$ ?“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(duì)晶圓腐蝕，形成半導(dǎo)體器件及其電路。 ![]()
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, X# P! f& D6 `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。 ![]()
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這里說(shuō)一下，什么是光刻膠。我們要知道電路設(shè)計(jì)圖首先通過(guò)激光寫在光掩模版上，然后光源通過(guò)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(guò)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。 ![]() 4 D3 s) k7 d1 z/ g2 P" A
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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。
& t; I t( z1 g! Z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。 ![]() / H$ Z7 y, c! e3 W* \2 h
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可以說(shuō)，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?cè)诠杵砻嬷谱鞒鲋挥邪l(fā)絲直徑千分之一的溝槽或電路。
; `0 e* z5 I+ W, g/ P" K* _' Q/ }熱處理、光刻、刻蝕、清洗、沉積……每塊晶圓要晝夜無(wú)休地被連續(xù)加工兩個(gè)月，經(jīng)過(guò)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。
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/ B! J; f" i3 e6 S G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。 & J# p* |2 ]- P; `2 s2 s( Q7 y
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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。 / T2 N$ S& S( F4 C6 b9 x
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發(fā)表于 2022-4-18 15:00:56
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