芯片是如何實(shí)現(xiàn)多達(dá)100多億個(gè)晶體管的

隨著芯片工藝的不斷提升，芯片中可以多達(dá)100多億個(gè)晶體管，如此之多的晶體管，究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

當(dāng)芯片被不停地放大，里面宛如一座巨大的城市。

這是一個(gè)Top-down View 的SEM照片，可以非常清晰的看見CPU內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)，越往下線寬越窄，越靠近器件層。

這是CPU的截面視圖，可以清晰的看到層狀的CPU結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部采用的是層級(jí)排列方式，這個(gè)CPU大概是有10層。其中最下層為器件層，即是MOSFET晶體管。

Mos管在芯片中放大可以看到像一個(gè)“講臺(tái)”的三維結(jié)構(gòu)，晶體管是沒有電感、電阻這些容易產(chǎn)生熱量的器件的。最上面的一層是一個(gè)低電阻的電極，通過絕緣體與下面的平臺(tái)隔開，它一般是采用了P型或N型的多晶硅用作柵極的原材料，下面的絕緣體就是二氧化硅。 平臺(tái)的兩側(cè)通過加入雜質(zhì)就是源極和漏極，它們的位置可以互換，兩者之間的距離就是溝道，就是這個(gè)距離決定了芯片的特性。

當(dāng)然，芯片中的晶體管不僅僅只有Mos管這一種類，還有三柵極晶體管等，晶體管不是安裝上去的，而是在芯片制造的時(shí)候雕刻上去的。 在進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)的時(shí)候，芯片設(shè)計(jì)師就會(huì)利用EDA工具，對(duì)芯片進(jìn)行布局規(guī)劃，然后走線、布線。

如果我們將設(shè)計(jì)的門電路放大，白色的點(diǎn)就是襯底, 還有一些綠色的邊框就是摻雜層。

晶圓代工廠就是根據(jù)芯片設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)好的物理版圖進(jìn)行制造。 芯片制造的兩個(gè)趨勢(shì)，一個(gè)是晶圓越來越大，這樣就可以切割出更多的芯片，節(jié)省效率，另外就一個(gè)就是芯片制程，制程這個(gè)概念，其實(shí)就是柵極的大小，也可以稱為柵長(zhǎng)，在晶體管結(jié)構(gòu)中，電流從Source流入Drain，柵極（Gate）相當(dāng)于閘門，主要負(fù)責(zé)控制兩端源極和漏級(jí)的通斷。 電流會(huì)損耗，而柵極的寬度則決定了電流通過時(shí)的損耗，表現(xiàn)出來就是手機(jī)常見的發(fā)熱和功耗，寬度越窄，功耗越低。而柵極的最小寬度（柵長(zhǎng)），也就是制程。 縮小納米制程的用意，就是可以在更小的芯片中塞入更多的電晶體，讓芯片不會(huì)因技術(shù)提升而變得更大。 但是我們?nèi)绻麑艠O變更小，源極和漏極之間流過的電流就會(huì)越快，工藝難度會(huì)更大。

芯片制造過程共分為七大生產(chǎn)區(qū)域，分別是擴(kuò)散、光刻、刻蝕、離子注入、薄膜生長(zhǎng)、拋光、金屬化，光刻和刻蝕是其中最為核心的兩個(gè)步驟。 而晶體管就是通過光刻和蝕刻雕刻出來的，光刻就是把芯片制作所需要的線路與功能區(qū)做出來。 利用光刻機(jī)發(fā)出的光通過具有圖形的光罩對(duì)涂有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見光后會(huì)發(fā)生性質(zhì)變化，從而使光罩上得圖形復(fù)印到薄片上，從而使薄片具有電子線路圖的作用。 這就是光刻的作用，類似照相機(jī)照相。照相機(jī)拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。

刻蝕是使用化學(xué)或者物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要材料的過程。通常的晶圓加工流程中，刻蝕工藝位于光刻工藝之后，有圖形的光刻膠層在刻蝕中不會(huì)受到腐蝕源的顯著侵蝕，從而完成圖形轉(zhuǎn)移的工藝步驟?？涛g環(huán)節(jié)是復(fù)制掩膜圖案的關(guān)鍵步驟。

而其中，還涉及到的材料就是光刻膠，我們要知道電路設(shè)計(jì)圖首先通過激光寫在光掩模板上，然后光源通過掩模板照射到附有光刻膠的硅片表面，引起曝光區(qū)域的光刻膠發(fā)生化學(xué)效應(yīng)，再通過顯影技術(shù)溶解去除曝光區(qū)域或未曝光區(qū)域，使掩模板上的電路圖轉(zhuǎn)移到光刻膠上，最后利用刻蝕技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。

而光刻根據(jù)所采用正膠與負(fù)膠之分，劃分為正性光刻和負(fù)性光刻兩種基本工藝。在正性光刻中，正膠的曝光部分結(jié)構(gòu)被破壞，被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相同。 相反地，在負(fù)性光刻中，負(fù)膠的曝光部分會(huì)因硬化變得不可溶解，掩模部分則會(huì)被溶劑洗掉，使得光刻膠上的圖形與掩模版上圖形相反。

我們可以簡(jiǎn)單地從微觀上講解這個(gè)步驟。

在涂滿光刻膠的晶圓（或者叫硅片）上蓋上事先做好的光刻板，然后用紫外線隔著光刻板對(duì)晶圓進(jìn)行一定時(shí)間的照射。原理就是利用紫外線使部分光刻膠變質(zhì)，易于腐蝕。

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。

“刻蝕”是光刻后，用腐蝕液將變質(zhì)的那部分光刻膠腐蝕掉（正膠），晶圓表面就顯出半導(dǎo)體器件及其連接的圖形。然后用另一種腐蝕液對(duì)晶圓腐蝕，形成半導(dǎo)體器件及其電路。

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。

而100多億個(gè)晶體管就是通過這樣的方式雕刻出來的，晶體管可用于各種各樣的數(shù)字和模擬功能，包括放大，開關(guān)，穩(wěn)壓，信號(hào)調(diào)制和振蕩器。 晶體管越多就可以增加處理器的運(yùn)算效率；再者，減少體積也可以降低耗電量；最后，芯片體積縮小后，更容易塞入行動(dòng)裝置中，滿足未來輕薄化的需求。

芯片晶體管橫截面 到了3nm之后，目前的晶體管已經(jīng)不再適用，目前，半導(dǎo)體行業(yè)正在研發(fā)nanosheet FET（FET是Field Effect Transistor的縮寫，意思是場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和nanowire FET，它們被認(rèn)為是當(dāng)今finFET的前進(jìn)之路。 三星押注的是GAA環(huán)繞柵極晶體管技術(shù)，臺(tái)積電目前還沒有公布其具體工藝細(xì)節(jié)。三星在2019年搶先公布了GAA環(huán)繞柵極晶體管，根據(jù)三星官方的說法，基于全新的GAA晶體管結(jié)構(gòu)，三星通過使用納米片設(shè)備制造出MBCFET(Multi-Bridge-Channel FET，多橋-通道場(chǎng)效應(yīng)管)，該技術(shù)可以顯著增強(qiáng)晶體管性能，取代FinFET晶體管技術(shù)。

此外，MBCFET技術(shù)還能兼容現(xiàn)有的FinFET制造工藝的技術(shù)及設(shè)備，從而加速工藝開發(fā)及生產(chǎn)。

原文標(biāo)題：芯片：一顆芯片含有100億個(gè)晶體管的登峰造極技術(shù)之路

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