芯片里面百萬億的晶體管是怎么裝進去的？

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

(此處擔(dān)心有版權(quán)問題… 畢竟我也是拿別人錢干活的苦逼phd… 就不放全電路圖了… 大家看看就好， 望理解！）

再放大...

我們終于看到一個門電路啦! 這是一個NAND Gate(與非門), 大概是這樣:

A, B 是輸入, Y是輸出.

其中藍色的是金屬1層, 綠色是金屬2層, 紫色是金屬3層, 粉色是金屬4層...

那晶體管(更正, 題主的"晶體管" 自199X年以后已經(jīng)主要是 MOSFET, 即場效應(yīng)管了 ) 呢?

仔細(xì)看圖, 看到里面那些白色的點嗎? 那是襯底, 還有一些綠色的邊框? 那些是Active Layer (也即摻雜層.)

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)

圖片按照生產(chǎn)步驟排列. 但是步驟總結(jié)單獨寫出.

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, 此時還沒有加入雜質(zhì), 依然是一個硅晶圓. )

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效應(yīng)管.)

4.1、干蝕刻 (之前用光刻出來的形狀有許多其實不是我們需要的,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), 這一步進行蝕刻).

4.2、濕蝕刻 (進一步洗掉, 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, 以達到要求. ---

5、等離子沖洗 (用較弱的等離子束轟擊整個芯片)

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以及熱氧化)

6.2、退火

6.3、熱氧化 (制造出二氧化硅, 也即場效應(yīng)管的柵極(gate) )

7、化學(xué)氣相淀積(CVD), 進一步精細(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) 如果需要長單晶的話就需要這個..

10、電鍍處理

11、化學(xué)/機械 表面處理然后芯片就差不多了, 接下來還要:

12、晶圓測試

13、晶圓打磨就可以出廠封裝了.我們來一步步看:

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, 先對整個襯底注入少量(10^10 ~ 10^13 / cm^3) 的P型物質(zhì)(最外層少一個電子), 作為襯底 -- 離子注入

3、先加入Photo-resist, 保護住不想被蝕刻的地方 -- 光刻

4、上掩膜! (就是那個標(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、把保護層撤去. 這樣就得到了一個準(zhǔn)備注入的硅片. 這一步會反復(fù)在硅片上進行(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出的一層多晶硅， 該層可導(dǎo)電 -- 分子束外延

13、進一步的蝕刻, 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13 進一步的蝕刻, 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、物理氣相積淀長出 金屬層  -- 物理氣相積淀

18、將多余金屬層蝕刻. 光刻 + 濕蝕刻重復(fù) 17-18 長出每個金屬層哦對了... 最開始那個芯片, 大小大約是1.5mm x 0.8mm

啊~~ 找到一本關(guān)于光刻的書, 更新一下, 之前的回答有謬誤..
書名: << IC Fabrication Technology >> By BOSE

細(xì)說一下光刻. 題主問了: 小于頭發(fā)絲直徑的操作會很困難, 所以光刻(比如說100nm)是怎么做的呢?

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

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 MaskEmulsion Mask:

這貨分辨率可以達到 2000line / mm (其實挺差勁的... 所以sub-micron ,也即um級別以下的 VLSI不用... )這貨分辨率可以達到 2000line / mm (其實挺差勁的... 所以sub-micron ,也即um級別以下的 VLSI不用... )制作方法: 首先: 需要在Rubylith (不會翻譯...) 上面刻出一個比想要的掩膜大個20倍的形狀 (大概是真正制作尺寸的200倍), 這個形狀就可以用激光什么的刻出來, 只需要微米級別的刻度.

然后:

給!它!照!相! , 相片就是Emulsion Mask! 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:

大概長這樣

制作的時候移動的是底下那層. 電子束不移動.

就像打印機一樣把底下打一遍.

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; NA是從芯片看上去, 放大鏡的倍率.

以目前的技術(shù)水平, 這個公式已經(jīng)變了, 因為隨著Feature Size減小, 透鏡的厚度也是一個問題了

Feature Size = k * lamda / NA^2

恩.. 所以其實掩膜可以做的比芯片大一些. 至于具體制作方法, 一般是用高精度計算機探針 + 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行制作.

這個光刻的方法絕壁是個黑科技一般的點! 直接把Lamda縮小了一個量級, 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是什么形狀呢?

于是還沒有人理Food for thought...

附圖的步驟在每幅圖的下面標(biāo)注, 一共18步.

最終成型大概長這樣:

其中, 步驟1-15 屬于 前端處理 (FEOL), 也即如何做出場效應(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. 最開始那個大芯片里面能看到的基本都是布線! 一般一個高度集中的芯片上幾乎看不見底層的硅片, 都會被布線遮擋住.

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!

對硅2進行表面氧化

對硅2進行氫離子注入對硅2進行氫離子注入

翻面

將氫離子層處理成氣泡層將氫離子層處理成氣泡層

切割掉多余部分切割掉多余部分

成型! + 再利用

光刻

離子注入離子注入

微觀圖長這樣:

再次光刻+蝕刻

撤去保護, 中間那個就是Fin撤去保護, 中間那個就是Fin

門部位的多晶硅/高K介質(zhì)生長門部位的多晶硅/高K介質(zhì)生長

門部位的氧化層生長門部位的氧化層生長

長成這樣

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

物理氣相積淀長出表面金屬層(因為是三維結(jié)構(gòu), 所有連線要在上部連出)

機械打磨(對! 不打磨會導(dǎo)致金屬層厚度不一致)

成型! 成型!

連線

大概就是醬紫...

大部分附圖, 來自AnandTech | An Introduction to Semiconductor Physics, Technology, and Industry