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CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的?

小执念 古黑浩劫论坛大牛 2015-12-8 17:26 |显示全部楼层

可遇不可求的事:故乡的云,上古的玉,随手的诗,十九岁的你。

管理员
  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
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? ac272f1777b4fad51efbae75faba09dd_b.jpg 3 T; E9 C1 C. K& n5 \! T
- H1 {8 v: b0 ^$ G4 F& ^! e7 _5 |9 U
再放大
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" p2 A3 Q: F4 ~5 E CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 9a48174395a716ff8f05f6e607853c0f_b.jpg 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:
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CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 6b7ee72c6c50b39aaf50c8e0e3bc55de_b.jpg & 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
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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
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( 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# [, `
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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
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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

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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
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6.撤去掩膜. -- 光刻

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" R1 @, C; M' U5 b- y: \# n7 O. y: ?$ v* L7 b- u/ D8 ^, n. d( F9 F" T
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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
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" |; h" v% d  h0 k( c
2 o- r4 \, j& @' h% M& n
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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

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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
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3 B) \! f8 c# K% k+ Z5 v6 ]
1 N$ M+ `/ N  m0 E# c
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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

, A8 d5 N% r: P
1 ~7 s. I  E7 }, h0 S$ V
; k$ @  k" Y3 @, K
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 17afc98ebbadbc1e567a9dbe74331432_b.jpg
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
8 N8 J" F5 U7 ?" v
# S& X" N" v/ ~: {2 f
1 W. R" M0 x1 R
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? fe1e1b6e0e8f7e8be5b64a513dbb85a6_b.jpg
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
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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
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- E: r1 N1 m, I# e7 \- w+ }0 p6 m1 J5 t+ ~1 g8 ~
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? aa44677e1cfc5d3d001dcced3978336e_b.jpg
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
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15 用气相积淀 形成的氮化物层 -- 化学气相积淀
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% b2 k5 c/ D& ]
& ^5 b- v# ^: y& m
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16 将氮化物蚀刻出沟道 -- 光刻 + 湿蚀刻
  B. U! R$ Z  C" Z, ]7 _/ ~" l8 O
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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/ {
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? bcf673f0f4a0dfbe49f751fd67ddaa3f_b.jpg
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
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 7b86b7f22499ac528c1a5072e3315553_b.jpg / [& 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
8 T2 B3 Q) b+ I+ G9 ^5 g0 y
  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 CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 3404435e2b3b3667d41d10a8ff72ec12_b.jpg

) 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... )
3 J# r, M3 g" @
  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.
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 87e87bb8ff9b0fc1d0b580e1b7098916_b.jpg
- X& O& B3 B' E% R" t; ?
然后:
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 98ddffb1a0e0f664013922edf1f776d7_b.jpg
* b+ P7 M5 x* C4 f# [
给!它!照!相! , 相片就是Emulsion Mask!

  H/ Y. b' e6 h( S: @7 i4 F
  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:
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; 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
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? ffdd8b686a528ea50688087482bb69d2_b.jpg
- ~, 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
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 8cab30f98037c9a7d9b2174e2487c3c4_b.jpg
于是还没有人理Food for thought...

# ?' A0 k% n  C; l
  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:
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? ae9a992cbd18453fbffff2c2868d221e_b.jpg

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:
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? bb0119c72396db29e4d8286c9b8b873c_b.jpg
( N/ J; _0 X; b; \
  SOl:
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 617cbf009bc0ac396a4e0e19e8d245d2_b.jpg
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:
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? b08928d495dca63b814c1d22d2a61ef1_b.jpg

8 W+ J/ n) Q: z9 \
  在硅表面离子注入一层氧离子层
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? c2638a26d5ff19206f017d9aea97c07d_b.jpg
等氧离子渗入硅层, 形成富氧层
9 c# R/ s0 I% U* [$ w! ^
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? d926168efb1bce8490c05e4c80eaf26b_b.jpg
高温退火

9 K8 b0 S0 N. Q! y) Q0 _/ P& M# v7 Z. e7 R
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? db736a13942419ab78a430707cedf47f_b.jpg
成型.

+ 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 CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? c5b0059137c9534b9c1142c424127678_b.jpg " {7 Y2 @0 c9 R( q
来两块!
1 J, t$ Q" F) x9 h  B2 j$ D
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? a0c0b1f200d121dc040e98d5c0a4cd17_b.jpg
对硅2进行表面氧化
8 h  R4 ~% i, n0 ]0 F4 k

* M! @! w- F* M' T& J# i CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 46694b59fa4883cc1bd245a2f10162ac_b.jpg
  对硅2进行氢离子注入
3 x7 z* |  @) P9 y! Z

+ M' ?. c9 ~4 l* ?5 z6 x% o
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 5a5f3452a3110b0b83fad0edc064493c_b.jpg
翻面
+ K; X5 {) ]$ i6 S/ o- K: P

0 W3 b+ t( `3 D: I8 g9 K
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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* ?
% [. a) T  E  U
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? d9d224488af433022cd0dab302a967e0_b.jpg
切割掉多余部分

* |- N/ E5 ]+ q) `4 @$ b' ]+ Q
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 57e6e2f1e4c44cd4d0e2076b7c9f9075_b.jpg
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!!!)

0 A- n) o% D4 ]  h6 l
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 06b9575792e3a1920410b2db6be09675_b.jpg
光刻光刻
: x. h& S# e$ [
CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 7f8c238517c43b27e45b5a7b139a1151_b.jpg
离子注入
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CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 76446fb4a177b0e9650fca205da8a47d_b.jpg
微观图长这样
3 `: U1 @$ f" C
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再次光刻+蚀刻
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撤去保护, 中间那个就是Fin
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CPU芯片里面几千万的晶体管是怎么实现的? 46ec42cf50519090a66bd1ea62a5616d_b.jpg
门部位的多晶硅/高K介质生长

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门部位的氧化层生长

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长成这样

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源极 漏极制作(光刻+ 离子注入)

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初层金属/多晶硅贴片

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蚀刻+成型蚀刻+成型

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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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机械打磨(对! 不打磨会导致金属层厚度不一致)
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成型! 成型!

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连线

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就大概这样子..
1 X2 S3 Z% P* M# P


耀眼的阳光 「出类拔萃」 2018-5-1 16:21 来自手机 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

大人,此事必有蹊跷!
柔光的暖阳 「出类拔萃」 2018-5-1 16:21 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

  在逐字逐句地看完这个帖子以后,我的心久久不能平静,震撼啊!为什么会有如此好的帖子?!我纵横网络bbs多年,自以为再也不会有任何帖子能打动我,没想到今天看到了如此精妙绝伦的这样一篇帖子。
左岸云烟 「出类拔萃」 2018-5-1 16:21 来自手机 |显示全部楼层

这个用户很懒,还没有填写自我介绍呢~

第一次评论,
' J% b: z5 s2 v4 t) O好紧张啊,1 ?: j: S% R0 g& u0 h0 V! s' B

7 M' B: V) z( L1 z# |4 e  e
; L& Y# t- `- s$ ?9 G7 X该怎么说啊,
6 m6 e6 l  y  e
1 g+ G- |2 f9 q" E6 ]打多少字才显的有文采啊,& I7 [: |: K0 n/ C
这样说好不好啊,
  q0 O/ r- i( U& [6 e, h2 x, l0 U% @* E/ _

7 `( a" P/ k" _. t1 P/ G会不会成热贴啊,5 W2 a5 T  S$ D# H9 g2 |3 A+ N0 ]
6 A( U8 Q; e  o1 b: c1 C
我写的这么好会不会太招遥,
- I! O6 D! f1 C( G! D3 h写的这么深奥别人会不会看不懂啊,
- C8 |8 m% y  k6 c1 g怎样才能写出我博士后的水平呢,; w  D1 _+ P0 [/ f* K
半年写了这么多会不会太快啊,
; f5 W; T. Q+ P5 @% S7 B; K: ~6 d. s. X好激动啊。#y424:#y424:
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