芯片制造：搭積木很難嗎？

來源：超級無線店

如今的5G手機終端已經(jīng)遠遠不止是通信工具，還可以是辦公生產(chǎn)工具、可以是相機、可以是身份證明、可以是影音娛樂設(shè)備、插入VR設(shè)備中甚至可以是元宇宙的接口，它伴隨人們左右，填滿了人們每天日常。為了實現(xiàn)這些功能，終端內(nèi)的數(shù)十種芯片正在勤勤懇懇地默默奉獻中。

而一款芯片的誕生主要由芯片設(shè)計、芯片制造、芯片封裝和測試組成。有人說芯片制造好似樂高搭積木，芯片設(shè)計相當于樂高的那張設(shè)計圖紙，那么根據(jù)圖紙搭個積木很難嗎？接下來就給各位看官介紹下芯片制造是如何點沙成“芯”的（硅基芯片為例），讓咱們看看他到底難不難。

說到搭積木首先咱們得有基本的積木塊塊，而芯片的“積木”就是晶元了。晶元其實就是高純度的硅切片。首先，為了得到高純度的硅，將硅石（二氧化硅，也就是沙子）通過氧化還原反應(yīng)，還原成硅，并通過各種化學提純手段，去除硅里面雜質(zhì)，這時硅的純度可以達到99.999999999%。

純度雖然很高了，但是此時硅的晶格排布還是紊亂的。為了得到整齊排布的硅，一般會通過直拉法等方法，用單晶的硅種將多晶的硅液“誘導”形成一根具有晶格整齊排布的單晶硅棒。

然后，掐頭去尾，再用鋼琴絲做的線刀將其切片，分成一片片的硅薄片，也就是晶元，到這里我們總算是有了初始的“積木”。

有了“積木”，接下來就是照著圖紙“搭積木”了，也就是硅晶元上生成數(shù)以千億計的晶體管以及對應(yīng)連接的電路。為了生成這些晶體管就需要對晶圓進行反復加工，一層層堆積，最終形成一晶圓的未包裝的芯片裸片。接下來，給各位看官具體介紹下如何在晶圓上長出晶體管并形成芯片。

（一）

Step 1?光刻加刻蝕，芯片制造的核心

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當拿到一片晶圓后，首先需要對它進行清洗和離子注入（一般讓其呈P型）的工作。然后通過化學氣相沉淀，在晶圓上長出來芯片需要的一些層。為了在晶圓上雕刻我們想要的圖形，我們需要用光刻膠保護住不希望刻除的部分，那么就需要用光刻膠“畫出”我們想要的圖形。這一步我們用光刻膠涂滿晶元，然后激光穿過雕刻著圖形的掩膜板，和光刻膠反應(yīng)。反應(yīng)后的光刻膠可以用顯影液清洗掉，這樣我們就得到了想要的光刻膠圖形，并形成了晶體管位置的基礎(chǔ)圖形。

光刻加刻蝕在芯片制造中會反復出現(xiàn)，用來雕刻不同位置的圖形，這個方法是芯片誕生的核心思想。

（二）

Step 2?物理和化學交織，編織出芯片制造的基礎(chǔ)

實際從制備晶圓，提純硅材料開始，化學就始終陪伴著芯片制造。在對晶圓的加工過程中，化學與芯片制造就結(jié)合得更為緊密了。從化學氣相沉淀生長材料、到離子注入使材料呈現(xiàn)特定的特性、再到光刻膠的去除及固化和濕式刻蝕通過化學反應(yīng)溶解需要去除的部分，化學不可或缺地扮演著重要角色。接下來的晶體管生成更是可以清晰體現(xiàn)這點。

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對上面的晶圓繼續(xù)加工，在側(cè)壁生長硅氧化物對各晶體管進行隔離，然后將頂部的氧化層去除，再生長一層純凈的氧化層，并在氧化層上生長一層多晶硅來制作晶體管的柵極。接下來再實施一次光刻加刻蝕，完成柵極制作。接下來施展離子注入，在晶圓上形成n型區(qū)域，此時已經(jīng)有晶體管的雛形了。接著生長硅氧化層并用干性刻蝕，使得n型區(qū)域剝離出來的同時，給柵極增加側(cè)壁保護。然后，再用離子注入形成高濃度n型導電區(qū)域，此時晶體管已經(jīng)基本完成。為了更好連接各個電極，先濺鍍生長一層鈷薄膜，然后加熱讓鈷和硅反應(yīng)生產(chǎn)硅鈷薄膜，最后用濕式刻蝕去除多余的鈷膜，晶體管就算正式完成了。

（三）

Step 3?芯片加工反復重復，勇敢牛牛不怕困難

從上述的步驟可以看到在芯片制造的過程中，反復對晶圓進行材料生長然后光刻刻蝕，或直接刻蝕。而實際上，上述步驟只是最簡單的示意，實際加工中有些步驟甚至需要反復重復達數(shù)十次。而復雜的背后是因為芯片加工維度是納米級的，設(shè)備無法精準地指哪兒打哪兒，那么只能靠反復重復，一點點地完成芯片加工。所以說芯片制造搭的是個“納米積木”。而后面的晶體管連線也又一次體現(xiàn)了芯片加工的復雜性。

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在剛剛形成的晶體管上生長出硅氧化膜，然后通過光刻和刻蝕形成通孔，然后濺鍍上氮化鈦保護膜，然后繼續(xù)生長出鎢膜，最后打磨掉多余的鎢膜，形成鎢塞，這樣晶體管的管腳就引出了。隨后濺鍍上鋁膜，并通過光刻和刻蝕得到想要的第一層布線圖形，到這里第一層布線就完成了。

也許有看官說，感覺連線也不是很復雜啊，但是一般一顆芯片需要數(shù)十層布線層，這就不是一件輕松的差事了。

完成芯片裸片的制作后，經(jīng)過減薄、劃片、引線等后道封裝以及測試，芯片就呈現(xiàn)出我們一般看到的樣子了，算是大功告成。

看到這兒各位看官應(yīng)該對芯片制造有了初步的了解。至于這個“積木”是否難搭也有了自己的答案了。當然上面的步驟僅僅是簡單的介紹，其背后還有很多的原理和需要解決的問題點，更關(guān)鍵的是現(xiàn)在主流的7nm/5nm工藝采用的是鰭式3D結(jié)構(gòu)，加工難度和復雜度進一步提升，各位看官可以去自行搜索一下，感受一下為了獲得更高芯片性能，工程師們所做的努力與掙扎！可以說，5G終端中的每一塊小小的芯片中都凝聚了工程師們的畢生所學，閃耀著點石成金的神奇光芒。

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