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半導(dǎo)體芯片里面100多億個(gè)晶體管是怎么裝進(jìn)去的?

作者:佚名    文章來源:網(wǎng)絡(luò)    點(diǎn)擊數(shù):    更新時(shí)間:2023/11/30

如今隨著芯片制程的不斷提升,芯片中可以有100多億個(gè)晶體管,如此之多的晶體管,究竟是如何安上去的呢?

這是一個(gè)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,可以清晰的看到層狀的CPU結(jié)構(gòu),芯片內(nèi)部采用的是層級(jí)排列方式,這個(gè)CPU大概是有10層。其中最下層為器件層,即是MOSFET晶體管。

 

Mos管在芯片中放大可以看到像一個(gè)“講臺(tái)”的三維結(jié)構(gòu),晶體管是沒有電感、電阻這些容易產(chǎn)生熱量的器件的。最上面的一層是一個(gè)低電阻的電極,通過絕緣體與下面的平臺(tái)隔開,它一般是采用了P型或N型的多晶硅用作柵極的原材料,下面的絕緣體就是二氧化硅。

平臺(tái)的兩側(cè)通過加入雜質(zhì)就是源極和漏極,它們的位置可以互換,兩者之間的距離就是溝道,就是這個(gè)距離決定了芯片的特性。

 

當(dāng)然,芯片中的晶體管不僅僅只有Mos管這一種類,還有三柵極晶體管等,晶體管不是安裝上去的,而是在芯片制造的時(shí)候雕刻上去的。

在進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)的時(shí)候,芯片設(shè)計(jì)師就會(huì)利用EDA工具,對(duì)芯片進(jìn)行布局規(guī)劃,然后走線、布線。

 

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

 

晶圓代工廠就是根據(jù)芯片設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)好的物理版圖進(jìn)行制造。

芯片制造的兩個(gè)趨勢(shì),一個(gè)是晶圓越來越大,這樣就可以切割出更多的芯片,節(jié)省效率,另外就一個(gè)就是芯片制程,制程這個(gè)概念,其實(shí)就是柵極的大小,也可以稱為柵長(zhǎng),在晶體管結(jié)構(gòu)中,電流從Source流入Drain,柵極(Gate)相當(dāng)于閘門,主要負(fù)責(zé)控制兩端源極和漏級(jí)的通斷。

電流會(huì)損耗,而柵極的寬度則決定了電流通過時(shí)的損耗,表現(xiàn)出來就是手機(jī)常見的發(fā)熱和功耗,寬度越窄,功耗越低。而柵極的最小寬度(柵長(zhǎng)),也就是制程。

縮小納米制程的用意,就是可以在更小的芯片中塞入更多的電晶體,讓芯片不會(huì)因技術(shù)提升而變得更大。

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(huì)越快,工藝難度會(huì)更大。

 

芯片制造過程共分為七大生產(chǎn)區(qū)域,分別是擴(kuò)散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長(zhǎng)、拋光、金屬化,光刻和刻蝕是其中最為核心的兩個(gè)步驟。

而晶體管就是通過光刻和蝕刻雕刻出來的,光刻就是把芯片制作所需要的線路與功能區(qū)做出來。

利用光刻機(jī)發(fā)出的光通過具有圖形的光罩對(duì)涂有光刻膠的薄片曝光,光刻膠見光后會(huì)發(fā)生性質(zhì)變化,從而使光罩上得圖形復(fù)印到薄片上,從而使薄片具有電子線路圖的作用。

這就是光刻的作用,類似照相機(jī)照相。照相機(jī)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。

 

刻蝕是使用化學(xué)或者物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要材料的過程。通常的晶圓加工流程中,刻蝕工藝位于光刻工藝之后,有圖形的光刻膠層在刻蝕中不會(huì)受到腐蝕源的顯著侵蝕,從而完成圖形轉(zhuǎn)移的工藝步驟。刻蝕環(huán)節(jié)是復(fù)制掩膜圖案的關(guān)鍵步驟。

 

而其中,還涉及到的材料就是光刻膠,我們要知道電路設(shè)計(jì)圖首先通過激光寫在光掩模板上,然后光源通過掩模板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,使掩模板上的電路圖轉(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(huì)因硬化變得不可溶解,掩模部分則會(huì)被溶劑洗掉,使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相反。

 

我們可以簡(jiǎn)單地從微觀上講解這個(gè)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(duì)晶圓進(jìn)行一定時(shí)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(duì)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(jì)好的電路圖案。

而100多億個(gè)晶體管就是通過這樣的方式雕刻出來的,晶體管可用于各種各樣的數(shù)字和模擬功能,包括放大,開關(guān),穩(wěn)壓,信號(hào)調(diào)制和振蕩器。

晶體管越多就可以增加處理器的運(yùn)算效率;再者,減少體積也可以降低耗電量;最后,芯片體積縮小后,更容易塞入行動(dòng)裝置中,滿足未來輕薄化的需求。

 

芯片晶體管橫截面

到了3nm之后,目前的晶體管已經(jīng)不再適用,目前,半導(dǎo)體行業(yè)正在研發(fā)nanosheet FET(GAA FET)和nanowire FET(MBCFET),它們被認(rèn)為是當(dāng)今finFET的前進(jìn)之路。

三星押注的是GAA環(huán)繞柵極晶體管技術(shù),臺(tái)積電目前還沒有公布其具體工藝細(xì)節(jié)。三星在2019年搶先公布了GAA環(huán)繞柵極晶體管,根據(jù)三星官方的說法,基于全新的GAA晶體管結(jié)構(gòu),三星通過使用納米片設(shè)備制造出MBCFET(Multi-Bridge-Channel FET,多橋-通道場(chǎng)效應(yīng)管),該技術(shù)可以顯著增強(qiáng)晶體管性能,取代FinFET晶體管技術(shù)。

Tags:芯片,晶體管,半導(dǎo)體  
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