【半导光电】芯片里面百万亿的晶体管是怎么装进去的？
来源：面包芯语 2023-05-27 06:19:41
今日光电
(资料图片)
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)(此处担心有版权问题… 毕竟我也是拿别人钱干活的苦逼phd… 就不放全电路图了… 大家看看就好， 望理解！）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coating9、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: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啊~~ 找到一本关于光刻的书, 更新一下, 之前的回答有谬误.. 书名: << IC Fabrication Technology >> By BOSE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.然后: 给!它!照!相! , 相片就是Emulsion Mask! 给!它!照!相! , 相片就是Emulsion Mask! 如果要拍的"照片"太大, 也有分区域照的方法. Metal Mask: 制作过程: 1、先做一个Emulsion Mask, 然后用Emulsion Mask以及我之前提到的17-18步做Metal Mask! 瞬间有种Recursion的感觉有木有!!!
2、Electron beam:
大概长这样制作的时候移动的是底下那层. 电子束不移动.
就像打印机一样把底下打一遍.
好处是精度特别高, 目前大多数高精度的(<100nm技术)都用这个掩膜. 坏处是太慢...
做好掩膜后:
Feature Size = k*lamda / NA
k一般是0.4, 跟制作过程有关; lamda是所用光的波长; NA是从芯片看上去, 放大镜的倍率.
以目前的技术水平, 这个公式已经变了, 因为随着Feature Size减小, 透镜的厚度也是一个问题了
Feature Size = k * lamda / NA^2
恩.. 所以其实掩膜可以做的比芯片大一些. 至于具体制作方法, 一般是用高精度计算机探针 + 激光直接刻板. Photomask(掩膜) 的材料选择一般也比硅晶片更加灵活, 可以采用很容易被激光汽化的材料进行制作.
这个光刻的方法绝壁是个黑科技一般的点! 直接把Lamda缩小了一个量级, With no extra cost! 你们说吼不吼啊!
Food for Thought: Wikipedia上面关于掩膜的版面给出了这样一幅图, 假设用这样的掩膜最后做出来会是什么形状呢? 于是还没有人理Food for thought...
附图的步骤在每幅图的下面标注, 一共18步.
最终成型大概长这样:其中, 步骤1-15 属于 前端处理 (FEOL), 也即如何做出场效应管
步骤16-18 (加上许许多多的重复) 属于后端处理 (BEOL) , 后端处理主要是用来布线. 最开始那个大芯片里面能看到的基本都是布线! 一般一个高度集中的芯片上几乎看不见底层的硅片, 都会被布线遮挡住.
SOI (Silicon-on-Insulator) 技术:
传统CMOS技术的缺陷在于: 衬底的厚度会影响片上的寄生电容, 间接导致芯片的性能下降. SOI技术主要是将 源极/漏极 和 硅片衬底分开, 以达到(部分)消除寄生电容的目的.
传统: SOI: 制作方法主要有以下几种(主要在于制作硅-二氧化硅-硅的结构, 之后的步骤跟传统工艺基本一致.)1. 高温氧化退火:在硅表面离子注入一层氧离子层等氧离子渗入硅层, 形成富氧层高温退火成型.或者是2. Wafer Bonding(用两块! )不是要做夹心饼干一样的结构吗? 爷不差钱! 来两块! 来两块! 对硅2进行表面氧化对硅2进行氢离子注入对硅2进行氢离子注入翻面将氢离子层处理成气泡层将氢离子层处理成气泡层切割掉多余部分切割掉多余部分成型! + 再利用
光刻离子注入离子注入微观图长这样:再次光刻+蚀刻
撤去保护, 中间那个就是Fin撤去保护, 中间那个就是Fin门部位的多晶硅/高K介质生长门部位的多晶硅/高K介质生长门部位的氧化层生长门部位的氧化层生长长成这样
源极 漏极制作(光刻+ 离子注入)初层金属/多晶硅贴片
蚀刻+成型
物理气相积淀长出表面金属层(因为是三维结构, 所有连线要在上部连出)机械打磨(对! 不打磨会导致金属层厚度不一致)成型! 成型! 连线大概就是酱紫...
大部分附图, 来自AnandTech | An Introduction to Semiconductor Physics, Technology, and Industry
来源：ittbank
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