都说半导体 IC 的生产,是全世界最伟大的发明!那一个芯片是怎样造出来的呢?
 
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)
 
(此处担心有版权问题… 毕竟我也是拿别人钱干活的苦逼 phd… 就不放全电路图了… 大家看看就好, 望理解!)
 
 
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 ... 
 
晶体管(更正, 题主的"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 .)
 
然后 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这个 ..
 
10、电镀处理
 
11、化学 / 机械 表面处理然后芯片就差不多了, 接下来还要: 
 
12、晶圆测试
 
13、晶圆打磨就可以出厂封装了 . 我们来一步步看:
 
就可以出厂封装了 . 我们来一步步看:
 
 
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 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 长出每个金属层哦对了 ... 最开始那个芯片, 大小大约是 1.5mm x 0.8mm
 
细说一下光刻 . 题主问了: 小于头发丝直径的操作会很困难, 所以光刻(比如说 100nm)是怎么做的呢? 
 
比如说我们要做一个 100nm 的门电路(90nm technology), 那么实际上是这样的:
 
 
这层掩膜是第一层, 大概是 10 倍左右的 Die Size 有两种方法制作: Emulsion Mask 和 Metal MaskEmulsion Mask: 
 
 
这货分辨率可以达到 2000line / mm (其实挺差劲的 ... 所以 sub-micron ,也即 um 级别以下的 VLSI 不用 ... )这货分辨率可以达到 2000line / mm (其实挺差劲的 ... 所以 sub-micron ,也即 um 级别以下的 VLSI 不用 ... )制作方法: 首先: 需要在 Rubylith (不会翻译 ...) 上面刻出一个比想要的掩膜大个 20 倍的形状 (大概是真正制作尺寸的 200 倍), 这个形状就可以用激光什么的刻出来, 只需要微米级别的刻度 .
 
 
然后: 
 
 
给!它!照!相! , 相片就是 Emulsion Mask! 给!它!照!相! , 相片就是 Emulsion Mask! 如果要拍的"照片"太大, 也有分区域照的方法 . Metal Mask: 
 
 
制作过程: 1、先做一个 Emulsion Mask, 然后用 Emulsion Mask 以及我之前提到的 17-18 步做 Metal Mask! 瞬间有种 Recursion 的感觉有木有!!!
 
2、Electron beam: 
 
大概长这样
 

 

 
制作的时候移动的是底下那层 . 电子束不移动 . 
 
就像打印机一样把底下打一遍 . 
 
好处是精度特别高, 目前大多数高精度的(<100nm 技术)都用这个掩膜 . 坏处是太慢 ... 
 
做好掩膜后:  
 
Feature Size = k*lamda / NA
 
k 一般是 0.4, 跟制作过程有关; lamda 是所用光的波长; NA 是从芯片看上去, 放大镜的倍率 . 
 
以目前的技术水平, 这个公式已经变了, 因为随着 Feature Size 减小, 透镜的厚度也是一个问题了
Feature Size = k * lamda / NA^2 
 
恩 .. 所以其实掩膜可以做的比芯片大一些 . 至于具体制作方法, 一般是用高精度计算机探针 + 激光直接刻板 . Photomask(掩膜) 的材料选择一般也比硅晶片更加灵活, 可以采用很容易被激光汽化的材料进行制作 . 
 
这个光刻的方法绝壁是个黑科技一般的点! 直接把 Lamda 缩小了一个量级, With no extra cost! 你们说吼不吼啊! 
 
Food for Thought: Wikipedia 上面关于掩膜的版面给出了这样一幅图, 假设用这样的掩膜最后做出来会是什么形状呢? 
 
 
于是还没有人理 Food for thought...
 
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! 
 
 
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! 
 
 
连线
 
大概就是酱紫 ...