CPU芯片里有幾億個(gè)晶體管，怎么做出來的？

要想造個(gè)芯片, 首先, 你得畫出來一個(gè)長(zhǎng)這樣的玩意兒給Foundry (外包的晶圓制造公司)

在 IC 設(shè)計(jì)中，邏輯合成這個(gè)步驟便是將確定無誤的 HDL code，放入電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具（EDA tool），讓電腦將 HDL code 轉(zhuǎn)換成邏輯電路，產(chǎn)生如下的電路圖。之后，反復(fù)的確定此邏輯閘設(shè)計(jì)圖是否符合規(guī)格并修改，直到功能正確為止。

控制單元合成的結(jié)果

最后，將合成完的程式碼再放入另一套 EDA tool，進(jìn)行電路布局與繞線（Place And Route）。在經(jīng)過不斷的檢測(cè)后，便會(huì)形成如下的電路圖。圖中可以看到藍(lán)、紅、綠、黃等不同顏色，每種不同的顏色就代表著一張光罩。

完成電路布局與繞線的結(jié)果

然后Foundry是怎么做的呢? 大體上分為以下幾步:

首先搞到一塊圓圓的硅晶圓, (就是一大塊晶體硅, 打磨的很光滑, 一般是圓的)

此處重新排版, 圖片按照生產(chǎn)步驟排列. 但是步驟總結(jié)單獨(dú)寫出.

1. 濕洗 (用各種試劑保持硅晶圓表面沒有雜質(zhì))

2. 光刻 (用紫外線透過蒙版照射硅晶圓, 被照到的地方就會(huì)容易被洗掉, 沒被照到的地方就保持原樣. 于是就可以在硅晶圓上面刻出想要的圖案. 注意, 此時(shí)還沒有加入雜質(zhì), 依然是一個(gè)硅晶圓. )

3. 離子注入 (在硅晶圓不同的位置加入不同的雜質(zhì), 不同雜質(zhì)根據(jù)濃度/位置的不同就組成了場(chǎng)效應(yīng)管.)

4.1干蝕刻 (之前用光刻出來的形狀有許多其實(shí)不是我們需要的,而是為了離子注入而蝕刻的. 現(xiàn)在就要用等離子體把他們洗掉, 或者是一些第一步光刻先不需要刻出來的結(jié)構(gòu), 這一步進(jìn)行蝕刻).

4.2濕蝕刻 (進(jìn)一步洗掉, 但是用的是試劑, 所以叫濕蝕刻).

--- 以上步驟完成后, 場(chǎng)效應(yīng)管就已經(jīng)被做出來啦~ 但是以上步驟一般都不止做一次, 很可能需要反反復(fù)復(fù)的做, 以達(dá)到要求. ---

5 等離子沖洗 (用較弱的等離子束轟擊整個(gè)芯片)

6 熱處理, 其中又分為:

6.1 快速熱退火 (就是瞬間把整個(gè)片子通過大功率燈啥的照到1200攝氏度以上, 然后慢慢地冷卻下來, 為了使得注入的離子能更好的被啟動(dòng)以及熱氧化)
6.2 退火
6.3 熱氧化 (制造出二氧化硅, 也即場(chǎng)效應(yīng)管的柵極(gate) )

7 化學(xué)氣相淀積(CVD), 進(jìn)一步精細(xì)處理表面的各種物質(zhì)

8 物理氣相淀積 (PVD), 類似, 而且可以給敏感部件加coating

9 分子束外延 (MBE) 如果需要長(zhǎng)單晶的話就需要這個(gè)..

10 電鍍處理

11 化學(xué)/機(jī)械 表面處理

然后芯片就差不多了, 接下來還要:
12 晶圓測(cè)試
13 晶圓打磨

就可以出廠封裝了.

我們來一步步看:

1上面是氧化層, 下面是襯底(硅) -- 濕洗

2 一般來說, 先對(duì)整個(gè)襯底注入少量(10^10 ~ 10^13 / cm^3) 的P型物質(zhì)(最外層少一個(gè)電子), 作為襯底 -- 離子注入

3先加入Photo-resist, 保護(hù)住不想被蝕刻的地方 -- 光刻

4.上掩膜! (就是那個(gè)標(biāo)注Cr的地方. 中間空的表示沒有遮蓋, 黑的表示遮住了.) -- 光刻

5 紫外線照上去... 下面被照得那一塊就被反應(yīng)了 -- 光刻

6.撤去掩膜. -- 光刻

7 把暴露出來的氧化層洗掉, 露出硅層(就可以注入離子了) -- 光刻

8 把保護(hù)層撤去. 這樣就得到了一個(gè)準(zhǔn)備注入的硅片. 這一步會(huì)反復(fù)在硅片上進(jìn)行(幾十次甚至上百次). -- 光刻

9 然后光刻完畢后, 往里面狠狠地插入一塊少量(10^14 ~ 10^16 /cm^3) 注入的N型物質(zhì)
就做成了一個(gè)N-well (N-井) -- 離子注入

10 用干蝕刻把需要P-well的地方也蝕刻出來. 也可以再次使用光刻刻出來. -- 干蝕刻

11 上圖將P-型半導(dǎo)體上部再次氧化出一層薄薄的二氧化硅. -- 熱處理

12 用分子束外延處理長(zhǎng)出的一層多晶硅， 該層可導(dǎo)電 -- 分子束外延

13 進(jìn)一步的蝕刻, 做出精細(xì)的結(jié)構(gòu). (在退火以及部分CVD) -- 重復(fù)3-8光刻 濕蝕刻

14 再次狠狠地插入大量(10^18 ~ 10^20 / cm^3) 注入的P/N型物質(zhì), 此時(shí)注意MOSFET已經(jīng)基本成型. -- 離子注入

15 用氣相積淀 形成的氮化物層 -- 化學(xué)氣相積淀

16 將氮化物蝕刻出溝道 -- 光刻 濕蝕刻

17 物理氣相積淀長(zhǎng)出 金屬層  -- 物理氣相積淀

18 將多余金屬層蝕刻. 光刻 濕蝕刻

最開始那個(gè)芯片, 大小大約是1.5mm x 0.8mm

比如說我們要做一個(gè)100nm的門電路(90nm technology), 那么實(shí)際上是這樣的:

這層掩膜是第一層, 大概是10倍左右的Die Size

有兩種方法制作: Emulsion Mask 和 Metal Mask

Emulsion Mask:

這貨分辨率可以達(dá)到 2000line / mm (其實(shí)挺差勁的... 所以sub-micron ,也即um級(jí)別以下的 VLSI不用... )

制作方法: 首先: 需要在Rubylith (不會(huì)翻譯...) 上面刻出一個(gè)比想要的掩膜大個(gè)20倍的形狀 (大概是真正制作尺寸的200倍), 這個(gè)形狀就可以用激光什么的刻出來, 只需要微米級(jí)別的刻度.

然后:

給!它!照!相! , 相片就是Emulsion Mask!

如果要拍的"照片"太大, 也有分區(qū)域照的方法.

Metal Mask:

制作過程:
1. 先做一個(gè)Emulsion Mask, 然后用Emulsion Mask以及我之前提到的17-18步做Metal Mask! 瞬間有種Recursion的感覺有木有!!!

2. Electron beam:

大概長(zhǎng)這樣

制作的時(shí)候移動(dòng)的是底下那層. 電子束不移動(dòng).
就像打印機(jī)一樣把底下打一遍.

好處是精度特別高, 目前大多數(shù)高精度的(<100nm技術(shù))都用這個(gè)掩膜. 壞處是太慢...

做好掩膜后:
Feature Size = k*lamda / NA

k一般是0.4, 跟制作過程有關(guān); lamda是所用光的波長(zhǎng); NA是從芯片看上去, 放大鏡的倍率.

以目前的技術(shù)水平, 這個(gè)公式已經(jīng)變了, 因?yàn)殡S著Feature Size減小, 透鏡的厚度也是一個(gè)問題了

Feature Size = k * lamda / NA^2

恩.. 所以其實(shí)掩膜可以做的比芯片大一些. 至于具體制作方法, 一般是用高精度計(jì)算機(jī)探針 激光直接刻板. Photomask(掩膜) 的材料選擇一般也比硅晶片更加靈活, 可以采用很容易被激光汽化的材料進(jìn)行制作.

今天突然發(fā)現(xiàn)我還忘了一個(gè)很重要的點(diǎn)! 找了一圈知乎找到了! 多謝

@又見山人

!!

浸沒式光刻

這個(gè)光刻的方法絕壁是個(gè)黑科技一般的點(diǎn)! 直接把Lamda縮小了一個(gè)量級(jí), With no extra cost! 你們說吼不吼啊!

Food for Thought: Wikipedia上面關(guān)于掩膜的版面給出了這樣一幅圖, 假設(shè)用這樣的掩膜最后做出來會(huì)是什么形狀呢?

最終成型大概長(zhǎng)這樣:

其中, 步驟1-15 屬于 前端處理 (FEOL), 也即如何做出場(chǎng)效應(yīng)管

步驟16-18 (加上許許多多的重復(fù)) 屬于后端處理 (BEOL) , 后端處理主要是用來布線. 最開始那個(gè)大芯片里面能看到的基本都是布線! 一般一個(gè)高度集中的芯片上幾乎看不見底層的硅片, 都會(huì)被布線遮擋住.

SOI (Silicon-on-Insulator) 技術(shù):

傳統(tǒng)CMOS技術(shù)的缺陷在于: 襯底的厚度會(huì)影響片上的寄生電容, 間接導(dǎo)致芯片的性能下降. SOI技術(shù)主要是將 源極/漏極 和 硅片襯底分開, 以達(dá)到(部分)消除寄生電容的目的.

傳統(tǒng):

SOI:

制作方法主要有以下幾種(主要在于制作硅-二氧化硅-硅的結(jié)構(gòu), 之后的步驟跟傳統(tǒng)工藝基本一致.)

1. 高溫氧化退火:

在硅表面離子注入一層氧離子層

等氧離子滲入硅層, 形成富氧層

高溫退火

成型.

或者是2. Wafer Bonding(用兩塊! )

不是要做夾心餅干一樣的結(jié)構(gòu)嗎? 爺不差錢! 來兩塊!

來兩塊!

對(duì)硅2進(jìn)行表面氧化

對(duì)硅2進(jìn)行氫離子注入

翻面

將氫離子層處理成氣泡層

切割掉多余部分

成型!   再利用

光刻

離子注入

微觀圖長(zhǎng)這樣:

再次光刻 蝕刻

撤去保護(hù), 中間那個(gè)就是Fin

門部位的多晶硅/高K介質(zhì)生長(zhǎng)

門部位的氧化層生長(zhǎng)

長(zhǎng)成這樣

源極 漏極制作(光刻 離子注入)

初層金屬/多晶硅貼片

蝕刻 成型

物理氣相積淀長(zhǎng)出表面金屬層(因?yàn)槭侨S結(jié)構(gòu), 所有連線要在上部連出)

機(jī)械打磨(對(duì)! 不打磨會(huì)導(dǎo)致金屬層厚度不一致)

成型!

連線

我們通過一個(gè)Intel的視頻可以直觀的完整的回顧整個(gè)過程：

處理器的制造過程可以大致分為沙子原料(石英)、硅錠、晶圓、光刻(平版印刷)、蝕刻、離子注入、金屬沉積、金屬層、互連、晶圓測(cè)試與切割、核心封裝、等級(jí)測(cè)試、包裝上市等諸多步驟，而且每一步里邊又包含更多細(xì)致的過程。

下邊就圖文結(jié)合，一步一步看看：

沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25％的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。

硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級(jí)，下同。通過多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造質(zhì)量的硅，學(xué)名電子級(jí)硅(EGS)，平均每一百萬個(gè)硅原子中最多只有一個(gè)雜質(zhì)原子。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠(Ingot)。

單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.9999％。

第一階段的合影。

硅錠切割：橫向切割成圓形的單個(gè)硅片，也就是我們常說的晶圓(Wafer)。順便說，這下知道為什么晶圓都是圓形的了吧？

晶圓：切割出的晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當(dāng)鏡子。事實(shí)上，Intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓，而是從第三方半導(dǎo)體企業(yè)那里直接購(gòu)買成品，然后利用自己的生產(chǎn)線進(jìn)一步加工，比如現(xiàn)在主流的45nm HKMG(高K金屬柵極)。值得一提的是，Intel公司創(chuàng)立之初使用的晶圓尺寸只有2英寸/50毫米。

第二階段合影。

光刻膠(Photo Resist)：圖中藍(lán)色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。

光刻：光刻膠層隨后透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下，變得可溶，期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)類似按下機(jī)械相機(jī)快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會(huì)形成微處理器的每一層電路圖案。一般來說，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。

光刻：由此進(jìn)入50-200納米尺寸的晶體管級(jí)別。一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個(gè)處理器，不過從這里開始把視野縮小到其中一個(gè)上，展示如何制作晶體管等部件。晶體管相當(dāng)于開關(guān)，控制著電流的方向?，F(xiàn)在的晶體管已經(jīng)如此之小，一個(gè)針頭上就能放下大約3000萬個(gè)。

第三階段合影。

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。

蝕刻：使用化學(xué)物質(zhì)溶解掉暴露出來的晶圓部分，而剩下的光刻膠保護(hù)著不應(yīng)該蝕刻的部分。

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。

第四階段合影。

光刻膠：再次澆上光刻膠(藍(lán)色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護(hù)不會(huì)離子注入的那部分材料。

離子注入(Ion Implantation)：在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。經(jīng)過電場(chǎng)加速后，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時(shí)。

清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域(綠色部分)也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時(shí)候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。

第五階段合影。

晶體管就緒：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個(gè)孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。

電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會(huì)從正極(陽極)走向負(fù)極(陰極)。

銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶圓表面，形成一個(gè)薄薄的銅層。

第六階段合影。

拋光：將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。

金屬層：晶體管級(jí)別，六個(gè)晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成復(fù)合互連金屬層，具體布局取決于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來異常平滑，但事實(shí)上可能包含20多層復(fù)雜的電路，放大之后可以看到極其復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)，形如未來派的多層高速公路系統(tǒng)。

第七階段合影。

晶圓測(cè)試：內(nèi)核級(jí)別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測(cè)試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進(jìn)行對(duì)比。

晶圓切片(Slicing)：晶圓級(jí)別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個(gè)處理器的內(nèi)核(Die)。

丟棄瑕疵內(nèi)核：晶圓級(jí)別。測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄，留下完好的準(zhǔn)備進(jìn)入下一步。

第八階段合影。

單個(gè)內(nèi)核：內(nèi)核級(jí)別。從晶圓上切割下來的單個(gè)內(nèi)核，這里展示的是Core i7的核心。

封裝：封裝級(jí)別，20毫米/1英寸。襯底(基片)、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當(dāng)于一個(gè)底座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機(jī)械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片(銀色)就是負(fù)責(zé)內(nèi)核散熱的了。

處理器：至此就得到完整的處理器了(這里是一顆Core i7)。這種在世界上最干凈的房間里制造出來的最復(fù)雜的產(chǎn)品實(shí)際上是經(jīng)過數(shù)百個(gè)步驟得來的，這里只是展示了其中的一些關(guān)鍵步驟。

第九階段合影。

等級(jí)測(cè)試：最后一次測(cè)試，可以鑒別出每一顆處理器的關(guān)鍵特性，比如最高頻率、功耗、發(fā)熱量等，并決定處理器的等級(jí)，比如適合做成最高端的Core i7-975 Extreme，還是低端型號(hào)Core i7-920。

裝箱：根據(jù)等級(jí)測(cè)試結(jié)果將同樣級(jí)別的處理器放在一起裝運(yùn)。

零售包裝：制造、測(cè)試完畢的處理器要么批量交付給OEM廠商，要么放在包裝盒里進(jìn)入零售市場(chǎng)。