几千万的晶体管怎么在芯片里面实现?

HOTKING2019-10-25 12:00:00合晶芯城芯片晶体管THK

目前芯片技术含量最高的,无疑还是电脑芯片跟手机芯片,英特尔的i7(最高级的Core i7处理器配合的芯片组是Intel X58。Core i7处理器的目标是提升高性能计算和虚拟化性能)处理器里面是已经是几十亿颗晶体管了,远远超过题主说的几千万。

目前芯片含量最高的,无疑还是电脑芯片跟手机芯片,英特尔的i7(最高级的Core i7处理器配合的芯片组是Intel X58。Core i7处理器的目标是提升高性能计算和虚拟化性能)处理器里面是已经是几十亿颗晶体管了,远远超过题主说的几千万。

如果将一颗颗比尘埃还小的晶体管整合上去,是需要一些技术,嗯,分步骤介绍如下:

首先,需要图,以前用的是图纸图纸,现在有电子图,总之,得事先规划好这些晶体管的布局,电路设计师就是做这些的,另外还有版图设计师、验证的、仿真的等,将复杂无比的电路给具现到一颗颗
晶体管上面,然后就可以开始制造了。

  

从HKT或厚声或其他厂家或HOTTECH进来的需求到了fab,要生产芯片了,好,fab开始负责接单,首先确认工艺,如果客户行有余力,还会提供技术支持,不过一般都是fab自己搞定。

几十亿颗芯片要制造出来,得有一套详细的流程,什么时候用什么机台用什么条件等,fab里叫flow,就是流水线作业,这个在产品进入量产之前,都会有几个版本的flow,调工艺条件,叫recipe。

现在的工艺条件22/28nm(SMIC的北京新厂研发任务就是承担这个使命的)台积电量产是ok的吧,目前国内还不行,技术还达不到,40/45nm的已经ok了,SMIC在生产了。目前一般的手机芯片生产过程需要涉及到数十台先进机器,数千个step,那么几十个机台对应几千个step,就不可避免的要重复使用,所以就有了重复的步骤,正是这一步步的重复,最终将电路图给实实在在的刻在晶圆上,fab里叫wafer,8寸(是指wafer的直径,硅基底)是主流,12寸(直径300mm)是趋势。


从最开始wafer进来检测ok,开始清洗,有时候需要做外延,有时候是外延好的产品,fab里目前的工艺需要做几层oxide(氧化物层)、nitride(氮化物层),然后才是流程化的曝光、显影、刻蚀、洗边、填充、研磨等。里面用到的设备都奢侈昂贵,litho区(就是黄光区,在这个区域里面主要是做光学方面的东西,包括曝光、显影、检测等)的immersion(浸润式),ASML(荷兰公司,做光刻机的,最强工艺机台就是他家生产的)的一台机器能够跟大卡车相并论,价值几亿RMB。

wafer在出厂之前,要检测WAT(主要指芯片的电性能测试,主要包括电阻、电容、电压等)THK(主要是厚度测试,thickness)的角度等,看产品需要,然后出给客户,客户检测。improve(良率改善,能够提高芯片的良率,业界良心,55nm工艺的良率都是冲刺99%的)。


CMOS(逻辑电路芯片,与记忆类芯片不同,工艺复杂些)的晶体管都是能够通用的,55nm摸过的,关键工艺有那么几步:AA(就是离子注入的主要位置)、poly(多晶硅材质,电压就是压在他上面)、CT(这里指下面晶体管跟上面金属线的连接层)、M1(金属线第一层,一般越先进的工艺,金属线排布越复杂,不过工艺条件差不多,以第一层来代替后续工艺),AA、Poly更是将晶体管定义出来了,后面的CT、metal不过是将这些晶体管连起来的管路而已,特别是metal,都是重复堆叠,相比较而言更考验CMP(就是研磨,现在的东西镀膜了要通过CMP磨平,金属线填充的高低起伏要靠CMP磨平,所以现在金属线的工艺水平几乎受CMP制约)的能力。


做AA、Poly,最考验litho和etch(刻蚀,一般指离子刻蚀),怎么样曝出来符合要求的尺寸,fab叫CD(critical dimension,特征尺寸,其实就是大家常说的45nm工艺等,poly的线宽),是最核心的工艺,一般fab里最顶尖的机台和工程师就是为这个服务的,intel有鱼鳍结构的,后面或者3D晶体管。  


  


另外,目前芯片制造,除了制造出有源区的晶体管,晶体管后面的布线方式也一起打包做了,就是后面的metal互连,以前用Al(铝,以前的金属线材料),现在用导电性更好的Cu(铜,现在的金属线材料),而且采用大马士革或者双大马士革工艺(镶嵌工艺,因为大马士革这个地方的玻璃、宝石镶嵌工艺很出名,所以用地名代替)来弄,Cu互连技术倒有可能是制约芯片进一步微缩的门槛,需要技术突破的地方。

做晶体管,就要说到离子注入,fab叫implant,用什么样的离子(B-硼,P-磷等),剂量,角度,强度,都很讲究,因为这些决定了晶体管的导电特性,先进工艺还用到了halo implant或者分批次注入等方式(主要是为了让离子注入浓度更均匀),也是需要技术突破的地方。


我们通常会认为头发很细,但其实已经很粗了,我们不能用肉眼的判断来衡量机器的工作能力,一根头发的直径是8w纳米,而光学(肉眼可见和紫外)的特征波长有193、248、400nm多的,不过正是光的特征波长决定了可以做多细,而immersion机台可以将193再乘以一个系数,现在的28nm技术就是用这种机台做出来的,至于7nm是更先进的,可能要等EUV出来。

从普通人角度来看,想象怎么可能做这么细,或者可以这么理解:我有一个非常稳定的固定装置,非常精确的对准装置和检测装置,然后有一个非常细的刻刀(光的特征波长),将wafer牢牢固定之后呢,用非常细的刻刀去操作它,肉眼看不清的图案它能看清,肉眼做不到的事情它能做到,所以这就是机器的牛逼之处,感谢ASML吧,那是一家最顶尖的公司。


而且芯片也不是所有的地方都细,一般也就AA、Poly、CT、M1细,其他的还好啦,再补充一点,所谓先进技术里那么细的,fab叫特征尺寸CD的,指的是Poly的CD,就是常说的28nm技术,45nm技术等。

另外再强调一下,并不是晶体管越多越好,越先进的工艺,问题越多,可靠性越差,为什么我们觉得以前的机子耐用,现在的机子经常死机,很简单的道理,以前的器件像一整个石块一样,很牢固,现在的器件像石子粘起来的石块,任何一个石子出现问题了,整个石块就崩裂了,所以功能增多的同时,是要损失寿命的。


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