如何將晶體管安裝到芯片內(nèi)

如今的7nm EUV 芯片，晶體管多大100億個，它們是怎么樣安上去的呢？

晶體管并非是安裝上去的，芯片制造其實分為沙子-晶圓，晶圓-芯片這樣的過程，而在芯片制造之前，IC涉及要負(fù)責(zé)設(shè)計好芯片，然后交給晶圓代工廠。

芯片設(shè)計分為前端設(shè)計和后端設(shè)計，前端設(shè)計(也稱邏輯設(shè)計)和后端設(shè)計(也稱物理設(shè)計)并沒有統(tǒng)一嚴(yán)格的界限，涉及到與工藝有關(guān)的設(shè)計就是后端設(shè)計。芯片設(shè)計要用專業(yè)的EDA工具。

如果我們將設(shè)計的門電路放大，白色的點就是襯底, 還有一些綠色的邊框就是摻雜層。

當(dāng)芯片設(shè)計好了之后，就要制造出來，晶體管就是在晶圓上直接雕出來的，晶圓越大，芯片制程越小，就能切割出更多的芯片，效率就會更高。

舉個例子，就好像切西瓜一樣，西瓜更大的，但是原來是切成3厘米的小塊，現(xiàn)在換成了2厘米，是不是塊數(shù)就更多。所以現(xiàn)在的晶圓從 2 寸、4 寸、6 寸、8 寸到現(xiàn)在 16 寸大小，

制程這個概念，其實就是柵極的大小，也可以成為柵長，它的距離越短，就可以放下更多的晶體管，這樣就不會讓芯片不會因技術(shù)提升而變得更大，使用更先進(jìn)的制造工藝，芯片的面積和功耗就越小。但是我們?nèi)绻麑艠O變更小，源極和漏極之間流過的電流就會越快，工藝難度會更大。

芯片制造共分為七大生產(chǎn)區(qū)域，分別是擴散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長、拋光、金屬化。

其中雕出晶圓的最重要的兩個步驟就是光刻和蝕刻，光刻技術(shù)是一種精密的微細(xì)加工技術(shù)。常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長為2000～4500的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗光刻技術(shù)蝕劑為中間(圖像記錄)媒介實現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝。

光刻技術(shù)就是把芯片制作所需要的線路與功能區(qū)做出來。簡單來說芯片設(shè)計人員設(shè)計的線路與功能區(qū)“印進(jìn)”晶圓之中，類似照相機照相。照相機拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。

而蝕刻技術(shù)就是利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復(fù)進(jìn)行。例如，大規(guī)模集成電路要經(jīng)過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。

在半導(dǎo)體制造中有兩種基本的刻蝕工藝：干法刻蝕和濕法腐蝕。目前主流所用的還是干法刻蝕工藝，利用干法刻蝕工藝的就叫等離子體蝕刻機。

在集成電路制造過程中需要多種類型的干法刻蝕工藝，應(yīng)用涉及硅片上各種材料。被刻蝕材料主要包括介質(zhì)、硅和金屬等，通過與光刻、沉積等工藝多次配合可以形成完整的底層電路、柵極、絕緣層以及金屬通路等。

驅(qū)動之家有一片的CPU的制造過程，《從沙子到芯片：且看處理器是怎樣煉成的》，就從微觀上講解了這個步驟。

在涂滿光刻膠的晶圓(或者叫硅片)上蓋上事先做好的光刻板，然后用紫外線隔著光刻板對晶圓進(jìn)行一定時間的照射。原理就是利用紫外線使部分光刻膠變質(zhì)，易于腐蝕。

溶解光刻膠：光刻過程中曝光在紫外線下的光刻膠被溶解掉，清除后留下的圖案和掩模上的一致。

“刻蝕”是光刻后，用腐蝕液將變質(zhì)的那部分光刻膠腐蝕掉(正膠)，晶圓表面就顯出半導(dǎo)體器件及其連接的圖形。然后用另一種腐蝕液對晶圓腐蝕，形成半導(dǎo)體器件及其電路。

清除光刻膠：蝕刻完成后，光刻膠的使命宣告完成，全部清除后就可以看到設(shè)計好的電路圖案。

這里說一下，什么是光刻膠。我們要知道電路設(shè)計圖首先通過激光寫在光掩模版上，然后光源通過掩模版照射到附有光刻膠的硅片表面，引起曝光區(qū)域的光刻膠發(fā)生化學(xué)效應(yīng)，再通過顯影技術(shù)溶解去除曝光區(qū)域或未曝光區(qū)域，使掩模版上的電路圖轉(zhuǎn)移到光刻膠上，最后利用刻蝕技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。

而光刻根據(jù)所采用正膠與負(fù)膠之分，劃分為正性光刻和負(fù)性光刻兩種基本工藝。在正性光刻中，正膠的曝光部分結(jié)構(gòu)被破壞，被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相同。相反地，在負(fù)性光刻中，負(fù)膠的曝光部分會因硬化變得不可溶解，掩模部分則會被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相反。

可以說，在晶圓制造中，直徑30厘米的圓形硅晶薄片穿梭在各種極端精密的加工設(shè)備之間，由它們在硅片表面制作出只有發(fā)絲直徑千分之一的溝槽或電路。熱處理、光刻、刻蝕、清洗、沉積……每塊晶圓要晝夜無休地被連續(xù)加工兩個月，經(jīng)過成百上千道工序，最終集成了海量的微小電子器件，經(jīng)切割、封裝，成為信息社會的基石——芯片。

這是一個Top-down View 的SEM照片，可以非常清晰的看見CPU內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)，越往下線寬越窄，越靠近器件層。

這是CPU的截面視圖，可以清晰地看到層狀的CPU結(jié)構(gòu)，由上到下有大約10層，其中最下層為器件層，即是MOSFET晶體管