那个… 有不少示意图， 流量党酌情进{:6_165:}
+ n a( c: [9 X* F' C) ^5 b+ [- q$ b E3 C
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… 就不放全电路图了… 大家看看就好， 望理解！ ）
6 T2 A0 x) @2 A) W- Z9 \. `' ?& v6 k* B) n( }. r' H" N. B/ ]$ R
3 T; E9 C1 C. K& n5 \! T
- H1 {8 v: b0 ^$ G4 F& ^! e7 _5 |9 U
再放大
4 [( ^* K: H2 H" @; r% L
" p2 A3 Q: F4 ~5 E
4 V0 N. s! z, ^# M
7 k; E+ ~ Y& G% ?$ M) T6 E
cool! 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:
8 \+ |- ` U, D& Z9 v3 r5 ?2 k I2 a9 ]/ }* B+ I# s
& A6 e2 I* l. O9 H! x
! v6 @( Q; h% G& i
. g! l% |- J" x
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... : L/ L0 R2 i) ~2 q
]9 H* N! P/ ^ 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?
1 V/ o6 f5 y7 T9 ` d4 F* Q: h& m. w- p+ a3 ^
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.)" E1 G1 J' v% m5 E: p6 V9 c+ l
, f! v4 k: a0 g$ U
然后Foundry是怎么做的呢? 大体上分为以下几步: 1 F, P Q- t5 C# Q4 i! K$ X$ H7 N
* Y' ?) M% ?( Y4 `% [
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)
8 Y w! @4 h7 Z# @6 b# F0 ?4 L/ t5 \
/ y0 W% |. D* E5 m$ y* s% v$ q 此处重新排版, 图片按照生产步骤排列. 但是步骤总结单独写出。
1 b, ]" T0 B% |+ n! J( h2 B! L, {" p
1. 湿洗 (用各种试剂保持硅晶圆表面没有杂质)
5 A4 B1 J) i; N6 a/ l+ g! F/ K r
8 A$ Y5 O5 B& |3 Q$ b 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. ) 5 \7 U1 H# p+ d7 W. }
) i1 ^) I! k. ] A1 x- a; D
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.)! Z/ d; E( j; x( ]& ]
; c- {) j0 e- @% G" h: j3 F- [ 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). / A6 ~: o( v& b' K1 z5 G
* ^) J3 t$ k& M2 L
4.2湿蚀刻 (进一步洗掉, 但是用的是试剂, 所以叫湿蚀刻).* ^7 t: ]. t4 G1 L. ^
& r) a( O, A# V% T% q8 ?% Z& O% o ?
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.
: i ~5 q1 q, ]& ?7 ^0 i. d& G
1 J, }% `+ x+ f" {4 f( K 5.等离子冲洗 (用较弱的等离子束轰击整个芯片)
6 \3 c9 r8 I }6 P# }# W5 O& I/ }
* a5 J0 D! K0 q2 L1 K, b 6 热处理, 其中又分为: 8 [- J4 R0 k- X
/ D' x' p% f& R. m0 s9 t
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)
# q. X- r+ ^+ v) ^8 W% a& F
8 D7 |+ K& } i! y 6.2 退火# R) v; C6 j* d
# `( F* w7 q( i9 i# B$ L ?, G6 C
6.3 热氧化 (制造出二氧化硅, 也即场效应管的栅极(gate) )7 m1 ~, C |5 Z0 Z) B* |
! S" J# F/ E6 q" } 7 化学气相淀积(CVD), 进一步精细处理表面的各种物质; R( H+ ?- X% x
% ^6 B# t* ?4 i6 G
8 物理气相淀积 (PVD), 类似, 而且可以给敏感部件加coating
) k- U, E; {% I1 ]5 L, |% c: }# a9 \ }! t' n6 m9 q
9 分子束外延 (MBE) 如果需要长单晶的话就需要这个..
. y; }# _3 Q/ k6 t9 ~$ z9 F
! H! @) p& N4 z/ U 10 电镀处理( I7 C, Q& l! A9 v% Y* ]0 {) Y
7 U# I4 Q6 ]7 ]7 R# ^1 g& h
11 化学/机械 表面处理9 V& ?3 p" W3 j$ s* K2 u9 \
- ~" [6 c* [+ O) Y* i 然后芯片就差不多了, 接下来还要:
# e2 |- {5 M+ X- x: A, |4 s' [8 k6 H2 x* g `
12 晶圆测试: Z4 O0 r. P; T1 ?* l1 r7 m
5 u, Z: e0 g% B1 e
13 晶圆打磨就可以出厂封装了.我们来一步步看:
; P P* i1 u: I) p7 c3 E
& ?) Z- G' @; Q0 W ]6 V( A
1上面是氧化层, 下面是衬底(硅) -- 湿洗
( |# s6 p- w6 T e" a" H; T& u8 ?9 l. b$ s% f" t' ?8 S
( k% k: V* i; T+ ]/ k 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 . s+ o. Q: g+ ?
6 a& g w8 B8 V# [, `
5 m, v& n4 S# M! ?0 k4 ? 3先加入Photo-resist, 保护住不想被蚀刻的地方 -- 光刻
5 n; h% C: i* O. `6 K" }4 |$ c% M* Q- z& C, ~# K5 I
3 N8 f6 m5 N7 t/ p, H
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 9 {, c; S. U0 B% X
2 O6 w6 j ~% w2 G
' ^' E& C1 ]: X' b: M- [5 紫外线照上去... 下面被照得那一块就被反应了 -- 光刻 : b3 |( ^+ [, z: @1 I: B
9 r" A$ z: s! w; w2 {7 v% L# Y, c4 s
# H' D5 ~. S3 g7 J7 \. f
6.撤去掩膜. -- 光刻
e0 G3 ~4 f; `0 H; s/ R( p
" R1 @, C; M' U5 b- y: \# n7 O. y: ?$ v* L7 b- u/ D8 ^, n. d( F9 F" T
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 & z7 @: O: C+ {4 n3 [ J
" |; h" v% d h0 k( c
2 o- r4 \, j& @' h% M& n
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
# Y! D6 ~6 j8 n3 S2 N, I% T' Z7 n7 u* G& g
) ?/ c; s9 v! ~( b% a" e9 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 + A0 Q* u6 F, ^$ [/ J, H
3 B) \! f8 c# K% k+ Z5 v6 ]
1 N$ M+ `/ N m0 E# c10 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
, A8 d5 N% r: P
1 ~7 s. I E7 }, h0 S$ V
; k$ @ k" Y3 @, K11 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 8 N8 J" F5 U7 ?" v
# S& X" N" v/ ~: {2 f
1 W. R" M0 x1 R
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
" e/ P6 n$ \6 V- \+ h6 p @: V2 h5 v; s, K2 w( b( J4 g: Y
& j: R0 ^" r6 ?
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 1 W# D5 ]7 p1 ^4 N$ e( t
- E: r1 N1 m, I# e7 \- w+ }0 p6 m1 J5 t+ ~1 g8 ~
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 0 c4 C; K; c4 L; N# C" h8 b% P
) w6 p' s1 W. z4 ?2 X/ ~, r, v5 v& f5 S
15 用气相积淀 形成的氮化物层 -- 化学气相积淀 : h* w1 P: ]" W
% b2 k5 c/ D& ]
& ^5 b- v# ^: y& m16 将氮化物蚀刻出沟道 -- 光刻 + 湿蚀刻 B. U! R$ Z C" Z, ]7 _/ ~" l8 O
9 C1 i+ m- a( n! v6 { k% N
17 物理气相积淀长出 金属层 -- 物理气相积淀 ( m8 ~0 T& p5 I L
6 {( a! a s2 x+ k! b7 r/ {
18 将多余金属层蚀刻. 光刻 + 湿蚀刻
% F7 H7 @0 h& i9 w; h" _6 d+ g 重复 17-18 长出每个金属层
1 y, |- A* X, W
4 }3 w6 R/ v# @2 n 哦对了... 最开始那个芯片, 大小大约是1.5mm x 0.8mm/ ~, Y4 z' H* [) Y( f
* Y9 E# P, s/ {- v1 Y' S) p3 G9 k) [% k8 W
~~ 找到一本关于光刻的书, 更新一下, 书名: << IC Fabrication Technology >> By BOSE" V; }9 O8 X+ W$ Q- x
6 D d9 `# K8 z. M' J$ I 细说一下光刻: 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:! u$ [! z+ {: R9 J m) z8 s, E
+ r, j: K% d* S! V1 ]& N% Z6 ]3 P! g
/ [& m) }! ?6 i3 Z+ @- ~! B
2 z2 U4 G" y+ P
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 Mask 7 `7 H1 Q5 _3 A0 s" C, S5 ?
Emulsion Mask:
! F, c4 q' B: r
) u9 W5 p% D I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. - X& O& B3 B' E% R" t; ?
* b+ P7 M5 x* C4 f# [
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. 5 t4 ^$ C @6 ?4 v# ~9 I
Metal Mask:
; D3 X, z3 E T 制作过程: ; n, B7 J- \# ~# v
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!!! 7 c/ F) Q6 l6 A" @
2. Electron beam: 大概长这样 - ~, g$ I6 O% ?6 s2 ?$ q2 X
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. 8 I6 h" k! g8 ?. Q4 Z( S0 f
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...
+ G# x# z% Q" J& h3 ]! r, f 做好掩膜后: Feature Size = k*lamda / NAk / n9 Y5 T$ q \
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。
. _+ I9 ]$ o& E) G; M2 v! w Feature Size = k * lamda / NA^2 6 q1 |3 L) c- e1 y. e E
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. $ B- @# E. }+ B9 A4 }7 |
浸没式光刻 / h1 L2 ~& M: E, O. @; B. K/ R
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? ; o. Z6 Q: P8 i% _+ h' `4 o
于是还没有人理Food for thought... 大部分附图, 来自AnandTech | An Introduction to Semiconductor Physics, Technology, and Industry , 附图的步骤在每幅图的下面标注, 一共18步. 如有错误欢迎指教!
2 _7 x& f* o+ h6 ^; A- c 最终成型大概长这样:
7 R- B" N m ? 其中, 步骤1-15 属于 前端处理 (FEOL), 也即如何做出场效应管 % s+ o! b* b' O4 T U2 p
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. 4 G$ u7 _- m0 j% U
版权归原网站 (ANAND TECH) 以及原作者所有, 仅供示意参考 5 |3 g% j" G: y }, C
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.
) W; j o8 b" b* j6 ?/ Q+ O 传统: ( N/ J; _0 X; b; \
8 s) E% U% y* S5 C, g
# R. Z, g: R' k8 ^" z/ P; M4 d 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.)
4 r' Z6 l( s6 N. y E2 i 1. 高温氧化退火:
8 W+ J/ n) Q: z9 \ 在硅表面离子注入一层氧离子层 9 c# R/ s0 I% U* [$ w! ^
9 K8 b0 S0 N. Q! y) Q0 _/ P& M# v7 Z. e7 R
+ F$ P/ T4 N* C
* Y, }! e& c- M- | 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!
5 \( Q$ X7 n5 S7 ~ G' l
" {7 Y2 @0 c9 R( q
1 J, t$ Q" F) x9 h B2 j$ D
对硅2进行表面氧化 8 h R4 ~% i, n0 ]0 F4 k
* M! @! w- F* M' T& J# i
对硅2进行氢离子注入 3 x7 z* | @) P9 y! Z
+ M' ?. c9 ~4 l* ?5 z6 x% o将氢离子层处理成气泡层将氢离子层处理成气泡层 4 y) W, a G8 l; @4 L* ?
成型! + 再利用成型! + 再利用
( H& O! k' G/ ]: f5 N 5 {5 H- x' Y8 A; z* r. r" L
^" y, J+ T$ ?! q
0 D3 O8 f% q1 Q (原谅我直接视频截图了, 3D图 Visio真心画不出啊!!!) 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)
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「古黑浩劫」
变色卡
「出类拔萃」
2018-5-1 16:21
