干货 | 数亿个晶体管怎么放进芯片的？

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整理：strongerHuang

芯片一般是指集成电路的载体，也是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果，通常是一个可以立即使用的独立的整体。

如果把中央处理器CPU比喻为整个电脑系统的心脏，那么主板上的芯片组就是整个身体的躯干。对于主板而言，芯片组几乎决定了这块主板的功能，进而影响到整个电脑系统性能的发挥，芯片组是主板的灵魂。

那么要想造个芯片，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)▼

再放大▼

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▼

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。那晶体管(“晶体管”自199X年以后已经主要是 MOSFET, 即场效应管了 ) 呢？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)。

Foundry是怎么做的呢？

一、大体上分为以下几步

0、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。

1、湿洗：用各种试剂保持硅晶圆表面没有杂质。

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。

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。

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。

4.2、湿蚀刻：进一步洗掉，但是用的是试剂， 所以叫湿蚀刻。 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。

5、等离子冲洗：用较弱的等离子束轰击整个芯片。

6、热处理

• 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。
• 退火
• 热氧化：制造出二氧化硅, 也即场效应管的栅极(gate)。

7、化学气相淀积(CVD)，进一步精细处理表面的各种物质

8、物理气相淀积 (PVD)，类似，而且可以给敏感部件加coating

9、分子束外延 (MBE) 如果需要长单晶的话就需要。

10、电镀处理

11、化学/机械表面处理

12、晶圆测试

13、晶圆打磨就可以出厂封装了。

二、图文讲解

上面是文字描述大体步骤，这里图文再次讲解。

1、上面是氧化层, 下面是衬底(硅)——湿洗

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

3、先加入Photo-resist, 保护住不想被蚀刻的地方——光刻

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

5、紫外线照上去，下面被照得那一块就被反应了——光刻

6、撤去掩膜——光刻

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

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

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

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

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

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

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

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

15、用气相积淀 形成的氮化物层 —— 化学气相积淀

16、将氮化物蚀刻出沟道——光刻 + 湿蚀刻

17、物理气相积淀长出 金属层——物理气相积淀

18、将多余金属层蚀刻。光刻 + 湿蚀刻重复 17-18 次长出每个金属层。

其中，步骤1-15 属于 前端处理 (FEOL)，也即如何做出场效应管。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。

最终成型大概长这样：

三、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。

传统：

SOI:

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)。

1. 高温氧化退火

在硅表面离子注入一层氧离子层：

等氧离子渗入硅层, 形成富氧层：

高温退火：

成型：

或者用两块（不差钱）：

对硅2进行表面氧化：

对硅2进行氢离子注入对硅2进行氢离子注入：

翻面：

将氢离子层处理成气泡层将氢离子层处理成气泡层：

切割掉多余部分切割掉多余部分：

成型 + 再利用：

光刻：

离子注入离子注入：

微观图长这样:

再次光刻+蚀刻：

撤去保护, 中间那个就是Fin撤去保护, 中间那个就是Fin：

门部位的多晶硅/高K介质生长门部位的多晶硅/高K介质生长：

门部位的氧化层生长门部位的氧化层生长：

长成这样：

源极 漏极制作(光刻+ 离子注入)：

初层金属/多晶硅贴片：

蚀刻+成型：

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)

机械打磨( 不打磨会导致金属层厚度不一致)：

成型：