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芯片内有上百亿的晶体管它们是怎么安上去的呢?_光刻_芯片

神尊大人 2024-12-22 04:54:09 0

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晶体管并非是安装上去的,芯片制造实在分为沙子 - 晶圆,晶圆 - 芯片这样的过程,而在芯片制造之前,IC 涉及要卖力设计好芯片,然后交给晶圆代工厂。

芯片设计分为前端设计和后端设计,前端设计(也称逻辑设计)和后端设计(也称物理设计)并没有统一严格的界线,涉及到与工艺有关的设计便是后端设计。
芯片设计要用专业的 EDA 工具。

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如果我们将设计的门电路放大,白色的点便是衬底, 还有一些绿色的边框便是掺杂层。

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(图片来自网络侵删)

当芯片设计好了之后,就要制造出来,晶体管便是在晶圆上直接雕出来的,晶圆越大,芯片制程越小,就能切割出更多的芯片,效率就会更高。

举个例子,就彷佛切西瓜一样,西瓜更大的,但是原来是切成 3 厘米的小块,现在换成了 2 厘米,是不是块数就更多。
以是现在的晶圆从 2 寸、4 寸、6 寸、8 寸到现在 16 寸大小。

制程这个观点,实在便是栅极的大小,也可以成为栅长,它的间隔越短,就可以放下更多的晶体管,这样就不会让芯片不会因技能提升而变得更大,利用更前辈的制造工艺,芯片的面积和功耗就越小。
但是我们如果将栅极变更小,源极和漏极之间流过的电流就会越快,工艺难度会更大。

芯片制造共分为七大生产区域,分别是扩散、光刻、刻蚀、离子注入、薄膜成长、抛光、金属化。

个中雕出晶圆的最主要的两个步骤便是光刻和蚀刻,光刻技能是一种精密的微细加工技能。

常规光刻技能是采取波长为 2000~4500 的紫外光作为图像信息载体,以光致抗光刻技能蚀剂为中间(图像记录)媒介实现图形的变换、转移和处理,终极把图像信息通报到晶片(紧张指硅片)或介质层上的一种工艺。

光刻技能便是把芯片制作所须要的线路与功能区做出来。
大略来说芯片设计职员设计的线路与功能区“印进”晶圆之中,类似摄影机摄影。

摄影机拍摄的照片是印在底片上,而光刻刻的不是照片,而是电路图和其他电子元件。

而蚀刻技能便是利用化学或物理方法,将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层撤除,从而在晶片表面或介质层上得到与抗蚀剂薄层图形完备同等的图形。

集成电路各功能层是立体重叠的,因而光刻工艺总是多次反复进行。
例如,大规模集成电路要经由约 10 次光刻才能完成各层图形的全部通报。

在半导系统编制造中有两种基本的刻蚀工艺:干法刻蚀和湿法堕落。
目前主流所用的还是干法刻蚀工艺,利用干法刻蚀工艺的就叫等离子体蚀刻机。

在集成电路制造过程中须要多种类型的干法刻蚀工艺,运用涉及硅片上各种材料。
被刻蚀材料紧张包括介质、硅和金属等,通过与光刻、沉积等工艺多次合营可以形成完全的底层电路、栅极、绝缘层以及金属通路等。

驱动之家有一片的 CPU 的制造过程,《从沙子到芯片:且看处理器是若何炼成的》,就从微不雅观上讲解了这个步骤。

在涂满光刻胶的晶圆(或者叫硅片)上盖上事先做好的光刻板,然后用紫外线隔着光刻板对晶圆进行一定韶光的照射。
事理便是利用紫外线使部分光刻胶变质,易于堕落。

溶解光刻胶:光刻过程中曝光在紫外线下的光刻胶被溶解掉,打消后留下的图案和掩模上的同等。

“刻蚀”是光刻后,用堕落液将变质的那部分光刻胶堕落掉(正胶),晶圆表面就显出半导体器件及其连接的图形。
然后用另一种堕落液对晶圆堕落,形成半导体器件及其电路。

打消光刻胶:蚀刻完成后,光刻胶的义务发布完成,全部打消后就可以看到设计好的电路图案。

这里说一下,什么是光刻胶。
我们要知道电路设计图首先通过激光写在光掩模版上,然后光源通过掩模版照射到附有光刻胶的硅片表面,引起曝光区域的光刻胶发生化学效应,再通过显影技能溶解去除曝光区域或未曝光区域,使掩模版上的电路图转移到光刻胶上,末了利用刻蚀技能将图形转移到硅片上。

而光刻根据所采取正胶与负胶之分,划分为正性光刻和负性光刻两种基本工艺。
在正性光刻中,正胶的曝光部分构造被毁坏,被溶剂洗掉,使得光刻胶上的图形与掩模版上图形相同。

相反地,在负性光刻中,负胶的曝光部分会因硬化变得不可溶解,掩模部分则会被溶剂洗掉,使得光刻胶上的图形与掩模版上图形相反。

可以说,在晶圆制造中,直径 30 厘米的圆形硅晶薄片穿梭在各种极度精密的加工设备之间,由它们在硅片表面制作出只有发丝直径千分之一的沟槽或电路。

热处理、光刻、刻蚀、洗濯、沉积……每块晶圆要昼夜无休地被连续加工两个月,经由成百上千道工序,终极集成了海量的眇小电子器件,经切割、封装,成为信息社会的基石——芯片。

这是一个 Top-down View 的 SEM 照片,可以非常清晰的瞥见 CPU 内部的层状构造,越往下线宽越窄,越靠近器件层。

这是 CPU 的截面视图,可以清晰地看到层状的 CPU 构造,由上到下有大约 10 层,个中最下层为器件层,即是 MOSFET 晶体管。

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