利用上千万颗晶体管，怎样制出一颗芯片？

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? 大体上分为以下几步:

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)

图片按照生产步骤排列 . 但是步骤总结单独写出 .

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，其中又分为：

6.1 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)

6.2 退火

6.3 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。

再通过图示来一步步看▼

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

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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。

附图的步骤在每幅图的下面标注，一共 18 步。

最终成型大概长这样:

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。

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

或者是

2. Wafer Bonding(用两块! )不是要做夹心饼干一样的结构吗? 爷不差钱! 来两块!

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(对! 不打磨会导致金属层厚度不一致)

成型! 成型!