百万亿晶体管，如何装在一枚芯片上？

来源:OFweek电子工程发布时间:2023-05-312197浏览

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要想造个芯片, 首先, 你得画出来一个长这样的玩意儿给Foundry (外包的晶圆制造公司)

再放大...

我们终于看到一个门电路啦! 这是一个NAND Gate(与非门), 大概是这样:

A, B 是输入, Y是输出.

其中蓝色的是金属1层, 绿色是金属2层, 紫色是金属3层, 粉色是金属4层...

那晶体管(更正, 题主的"晶体管" 自199X年以后已经主要是 MOSFET, 即场效应管了 ) 呢?

仔细看图, 看到里面那些白色的点吗? 那是衬底, 还有一些绿色的边框? 那些是Active Layer (也即掺杂层.)

然后Foundry是怎么做的呢? 大体上分为以下几步:

首先搞到一块圆圆的硅晶圆, (就是一大块晶体硅, 打磨的很光滑, 一般是圆的)

图片按照生产步骤排列. 但是步骤总结单独写出.

1、湿洗(用各种试剂保持硅晶圆表面没有杂质)

2、光刻(用紫外线透过蒙版照射硅晶圆, 被照到的地方就会容易被洗掉, 没被照到的地方就保持原样. 于是就可以在硅晶圆上面刻出想要的图案. 注意, 此时还没有加入杂质, 依然是一个硅晶圆. )

3、离子注入(在硅晶圆不同的位置加入不同的杂质, 不同杂质根据浓度/位置的不同就组成了场效应管.)

4.1、干蚀刻(之前用光刻出来的形状有许多其实不是我们需要的,而是为了离子注入而蚀刻的. 现在就要用等离子体把他们洗掉, 或者是一些第一步光刻先不需要刻出来的结构, 这一步进行蚀刻).

4.2、湿蚀刻(进一步洗掉, 但是用的是试剂, 所以叫湿蚀刻).--- 以上步骤完成后, 场效应管就已经被做出来啦~ 但是以上步骤一般都不止做一次, 很可能需要反反复复的做, 以达到要求. ---

5、等离子冲洗(用较弱的等离子束轰击整个芯片)

6、热处理,其中又分为:

6.1、快速热退火 (就是瞬间把整个片子通过大功率灯啥的照到1200摄氏度以上, 然后慢慢地冷却下来, 为了使得注入的离子能更好的被启动以及热氧化)

6.2、退火

6.3、热氧化 (制造出二氧化硅, 也即场效应管的栅极(gate) )

7、化学气相淀积(CVD),进一步精细处理表面的各种物质

8、物理气相淀积 (PVD),类似, 而且可以给敏感部件加coating

9、分子束外延 (MBE)如果需要长单晶的话就需要这个..

10、电镀处理

11、化学/机械表面处理，然后芯片就差不多了, 接下来还要:

12、晶圆测试

13、晶圆打磨，就可以出厂封装了.我们来一步步看:

1、上面是氧化层, 下面是衬底(硅) -- 湿洗

2、一般来说, 先对整个衬底注入少量(10^10 ~ 10^13 / cm^3) 的P型物质(最外层少一个电子), 作为衬底 -- 离子注入

3、先加入Photo-resist, 保护住不想被蚀刻的地方 -- 光刻

4、上掩膜! (就是那个标注Cr的地方. 中间空的表示没有遮盖, 黑的表示遮住了.) -- 光刻

5、紫外线照上去... 下面被照得那一块就被反应了 -- 光刻

6、撤去掩膜. -- 光刻

7、把暴露出来的氧化层洗掉, 露出硅层(就可以注入离子了) -- 光刻

8、把保护层撤去. 这样就得到了一个准备注入的硅片. 这一步会反复在硅片上进行(几十次甚至上百次). -- 光刻

9、然后光刻完毕后, 往里面狠狠地插入一块少量(10^14 ~ 10^16 /cm^3) 注入的N型物质就做成了一个N-well (N-井) -- 离子注入

10、用干蚀刻把需要P-well的地方也蚀刻出来. 也可以再次使用光刻刻出来. -- 干蚀刻

11、上图将P-型半导体上部再次氧化出一层薄薄的二氧化硅. -- 热处理

12、用分子束外延处理长出的一层多晶硅，该层可导电 -- 分子束外延

13、进一步的蚀刻, 做出精细的结构. (在退火以及部分CVD) -- 重复3-8光刻 + 湿蚀刻13 进一步的蚀刻, 做出精细的结构. (在退火以及部分CVD) -- 重复3-8光刻 + 湿蚀刻

14、再次狠狠地插入大量(10^18 ~ 10^20 / cm^3) 注入的P/N型物质, 此时注意MOSFET已经基本成型. -- 离子注入

15、用气相积淀形成的氮化物层 -- 化学气相积淀

16、将氮化物蚀刻出沟道 -- 光刻 + 湿蚀刻

17、物理气相积淀长出金属层 -- 物理气相积淀

18、将多余金属层蚀刻. 光刻 + 湿蚀刻重复 17-18 长出每个金属层哦对了... 最开始那个芯片, 大小大约是1.5mm x 0.8mm

细说一下光刻. 题主问了: 小于头发丝直径的操作会很困难, 所以光刻(比如说100nm)是怎么做的呢?

比如说我们要做一个100nm的门电路(90nm technology), 那么实际上是这样的:

这层掩膜是第一层, 大概是10倍左右的Die Size有两种方法制作: Emulsion Mask 和 Metal MaskEmulsion Mask:

这货分辨率可以达到 2000line / mm (其实挺差劲的... 所以sub-micron ,也即um级别以下的 VLSI不用... )这货分辨率可以达到 2000line / mm (其实挺差劲的... 所以sub-micron ,也即um级别以下的 VLSI不用... )制作方法: 首先: 需要在Rubylith (不会翻译...) 上面刻出一个比想要的掩膜大个20倍的形状 (大概是真正制作尺寸的200倍), 这个形状就可以用激光什么的刻出来, 只需要微米级别的刻度.