芯片的百萬億的晶體管是怎么來的？

要想造個(gè)芯片， 首先， 你得畫出來一個(gè)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?。?/p>

再放大。..

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

A， B 是輸入， Y是輸出。

其中藍(lán)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(diǎn)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(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(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(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(gè)金屬層哦對了。.. 最開始那個(gè)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(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 MaskEmulsion 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級別以下的 VLSI不用。.. ）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(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(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?。。?/p>

2、Electron beam：

大概長這樣

制作的時(shí)候移動的是底下那層。 電子束不移動。

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; 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。

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， 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(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(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！

對硅2進(jìn)行表面氧化

對硅2進(jìn)行氫離子注入對硅2進(jìn)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(hù)， 中間那個(gè)就是Fin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?yàn)槭侨S結(jié)構(gòu)， 所有連線要在上部連出）

機(jī)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。..

編輯：黃飛