|
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？ & m3 X) I0 Z/ l% C" `
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。 " [/ H& c2 P1 p* @, A9 L
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。
/ j$ k. q1 A! y& e% A3 p" }, G9 c! i- x
% a& {# W/ m& D! H) }0 L
3 m, M% E8 H0 X0 b4 ?* |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。
1 i4 x5 N. r1 v" }$ _" S( z
0 ~, x: ^: {+ K6 H v1 k+ h/ y1 v8 Q1 z' g
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。
4 _" R9 K, A# g$ C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。
( V2 i/ C% \3 a/ j7 o" p: ?1 V8 @0 ^
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。
& t! s: a* ]) I1 J9 P3 _! g
 . _+ b. O1 ?# Z- k1 E, Z
' Q- |4 Y1 a; G7 }7 v8 S
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。 9 c0 P z) f. A, e% h
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。 * a: A: q, k# H' a- x2 R: e
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。 ' I: @% }! t4 W% J
! Y& F( u* K& V5 i9 `/ W* q0 V+ K* i! q. Q( c% `# b
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。
! X6 u( U3 }+ w7 j7 t2 A! r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。 1 u- ?! O/ P% Q8 o+ Y* e! Q
# _) ?& }0 J- D. h9 q& h* D( D8 O! u- d2 S! b! `% {6 ^) K, D
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。
5 v# f+ [7 F. m% U# }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。 7 P5 K% ~8 r& a6 j
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。
: o8 p4 g1 t" X: X5 o/ V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。
; ~0 A1 N, ]/ \) V$ B% b& R9 l) ^$ S' I" e9 E
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。 6 ?: x' U$ Z+ f! e3 r/ r7 i
 1 c4 V0 ~" t* Q
- @0 e- S: w' [$ T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。 
, M( g( A2 I1 a3 ]- u4 ~: o0 X9 e; C4 i) \5 c
“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。 
: f n b/ o7 @6 X, z' r' K( E) j, R: P# z+ {4 `. m( X
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。 
2 i8 V+ n' X# v# ?8 {
7 s( m) o. Q* @( [; l( j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。 
) j0 J N6 L% a5 ]1 s
4 a" V. J; |6 a$ ] j$ }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。
F6 j C0 X" o: I- I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。  8 x: O/ |3 ^& \
U+ m- k3 c1 _6 C& K" W9 E( G
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。
2 q/ g& |9 ?* k; ~. p; y# r; ?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。
8 c$ e) p9 ~- V' T1 g" A( u
% ^ c4 V. B+ l# G
$ v7 u5 U/ b% x3 `! i1 _, A& a$ X) Y1 X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。 $ Z W. u( g% O( b) u
 9 j- ]# |" B! H
+ o) }+ K* v" v) V M
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。 7 ?; b) T6 O& [- G: {1 C
+ H( w& J% R, U0 j6 r* ?; O2 C! R& j, j# i4 }
*来源：胖福的小木屋 原文地址 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1661518867399354763&wfr=spider&for=pc | 
发表于 2022-4-18 15:00:56
