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零基础学习芯片制造
发表时间:2021.08.07     作者:Jingyi Li     来源:ShoelessCai     阅读:909


本篇纯原创,所有参考均有引用,转载请注明出处。

1.半导体来源于沙子

沙子以二氧化硅为主要成分,化学性质稳定。地球上有非常多的岩石,这些岩石风化之后,颗粒非常小的物质会在雨水冲刷之后,形成土壤。颗粒度较小的(直径0.74-2nm),会形成沙子(腾讯网,2019)。

2019年英国《自然》杂志称,目前沙子和砾石的采掘速度,已超过其自然恢复的速度,地球上沙子的需求量可能很快就会超过供给量。于是有人质疑,沙子短缺会造成芯片短缺吗?答案是否定的。

业内人士认为,《自然》所报导的沙子供不应求的情况最可能出现在建筑行业,因为建筑用沙有一定的标准,只有河沙合适。近年来建筑行业的快速发展,导致世界各地的河沙开采和消耗速率超过了自然恢复速率。然而,半导体行业所用的硅材料,主要来源并不是河沙,而是各种含硅的矿石,如脉石英、石英砾石等。这些矿石在地球的储量非常大。由此可知,报导称的沙子短缺情况并不是芯片短缺的原因(科技日报,2019)。

从沙子到高纯度多晶硅有两个阶段,碳还原法提纯,HCl再度提纯。第一步,将沙子放入温度超过2000℃的电核熔炉,通过碳还原二氧化硅,得到硅单质。通常纯度可达到98%,称之为冶金级硅。第二步,再次用HCL提纯,一般半导体用单晶硅的纯度要求为99.999999999%(小数点后9个9),形成超纯硅,主要用于半导体和太阳能光伏发电等行业(知乎,2020; 面包板博主,2020)。


2.PN型半导体与逻辑门

基础知识补充:第一,原子核外电子带负点,如果由于外力作用使得电子位置偏移,共价键失去一个电子会留出空位,称为“空穴”,带正电;与之对应的称为“电子”,带负电。第二,完成逻辑电路,需要电子元件的单向导电性质。

如果在纯净半导体硅(Si)中掺入少量五价麟(P),构成电子型半导体,简称为N型半导体(Negative),电子为多数载流子;掺入三价硼(B),构成空穴型半导体,简称为P型半导体(Positive),空穴为多数载流子(CSDN作者,2020; 知乎,2013)。

PN型半导体的特点:外加电压的时候,左侧加正极,右侧加负极,电流才可以通过,反之不行,这种单向导电的性质是关键。PN型半导体制造出晶体管,可以实现多种逻辑功能,诸如逻辑与、逻辑或、逻辑非,从而实现开关、信号调制等功能(机械前沿,2019)。


3.拉晶:从多晶硅到单晶硅

基础知识补充:已知晶体向上生长,但多晶硅的晶体生长与单晶硅有些不同的地方。第一,多晶硅生长是众多的晶柱共同生长,相互之间有竞争和相遇;而单晶只有一个晶体,不存在晶粒之间的竞争问题;第二,多晶硅的生长是由于温场的作用,底部温度不断下降,导致固液界面不断上升。而单晶的液面温度基本不变;第三,多晶硅铸锭的硅液相对静止,而单晶硅的硅液和晶体是旋转的(新浪博客-史博士,2016)。

拉晶是将多晶硅变为单晶硅的过程。首先,将前面所获得的高纯度多晶硅融化,形成液态的硅。然后以单晶的硅种(seed)和液体表面接触,一边旋转一边缓慢的向上拉起。那么,为什么要使用单晶硅硅种?


[pic: 多晶硅到单晶硅-硅铸锭]

从原子结构上看,单晶硅和多晶硅都是由硅原子按照金刚石晶格的方式排列而成,硅原子形成顺序:晶核->晶面->晶粒。上文已阐述,多晶硅含有多个晶体,生长过程中多个晶体竞相生长,方向参差不齐;相形之下,单晶硅只有一个晶体,单晶硅晶粒晶面在生长过程中方向相同。



工艺操作。高纯度的多晶硅放在石英坩埚中,并用外面围绕着的石墨加热器不断加热,温度>1000℃,炉中惰性气体使多晶硅熔化。拉晶过程中,要控制晶体方向,坩埚带着多晶硅熔化物在旋转。通常,将一颗籽晶浸入其中,由拉制棒带着籽晶作反方向旋转,同时慢慢地、垂直地由硅熔化物中向上拉出,熔化的多晶硅粘在底端,拉出单晶硅铸锭(知乎,2019)。


4.切割单晶硅铸锭,形成晶圆

切割工艺简单描述,用钻石刀将硅铸锭切割成圆片,抛光后形成晶圆,即制作芯片的底盘(机械前沿,2019)。晶圆通常的尺寸有8寸、12寸,直径越大,制作难度越高。实际上的晶圆直径是分为150mm,300mm以及450mm这三种,而12寸约等于305mm,为了称呼方便所以称之为12寸晶圆。



晶圆实物图:残余die为金色,是品质不合格的晶圆;黑色的部分是合格的die,实则是被挖走的部分,会被原厂封装制作为成品NAND颗粒(陈翠,2017)。


5.单晶硅上的高速公路建造:光刻、蚀刻、掺杂

笔者在这个步骤的学习停留比较久,首先搞清楚几个概念。一是晶体管(Transistor),从文献上看,晶体管即从晶圆上挖下来的晶片die,经过光刻和蚀刻等工艺,封装而成产品。


[pic: 从晶圆到晶体管]

二是衬底上芯片结构,涉及光刻(阳刻)和蚀刻(阴刻)。光刻,在硅片上涂光刻胶,紫外线透过掩膜照射光胶刻使其溶解,将印制好的电路图案印在半导体上。蚀刻,用化学物质溶解掉暴露出来的晶圆部分,剩下光刻胶保护着不需要蚀刻的部分。整个过程结束后,清除全部光刻胶,露出凹槽便是设计好的电路。



三是光刻和蚀刻在单晶硅上形成一些凹槽和通道后,接着就是通过掺杂,形成PN型半导体。通过离子注入,将上述提到的硼或者磷注入到硅结构中。然后,填充铜使其和其他晶体管互连。接着,再在上述结构上涂一层胶。通常的芯片,有几十层结构。如图所示,堆叠出的阡陌交通,宛若密集交织的高速公路(机械前沿,2019)。途中蓝色为晶片,金色为后加工的高速公路,节省通信空间。


6.什么叫纳米技术?

接下来,从晶体管功能模块理解,目前用的比较多的是鳍式晶体管。如图,灰色的衬底(Substrate)即上述半导体材料制成,新型工艺形成Fin,穿过栅极(Gate),这部分有正电荷通过,形成逻辑门;源极(Source)为正电荷输出方,漏极(Drain)为正电荷接收方;通常所说的7nm工艺、14nm工艺,指的是Gate的宽度,亦称沟道长度、栅极长度(知乎-新思科技,2021),更直观地说,是源极(Source)到漏极(Drain)的有效距离(知乎-匿名,2020)。


[pic: FinFET]


[pic: how electron works]


当然,晶体管本身也会发展,如图,后两者是Nano晶体管。

[pic: FET Evolution]

栅极(Gate)部分一般是填充物,后期工艺会掏空,并加入其他材料,以防止漏电。个人理解,Gate的作用是控制Source到Drain的开关,设计需要减少这部分厚度,从14nm到如今比较流行的7nm,往5nm甚至3nm发展。不断减少Gate length 的过程中,原本材料不足以阻电,改用填充的方式。目前填充HKMG以及Tungsten(知乎-匿名,2020)。

目前较为流行的HKMG,即“高介电常数绝缘层(High-k)+ 金属栅极(Metal Gate)”, 能够有效解决栅介质薄弱导致的漏电或多晶硅栅耗尽效应等问题,并可提供较佳的效能表现。因此,HKMG工艺多被运用于运算速度取向的高阶电子产品,如CPU、FPGA、存储器等(知乎-北京康信,2021)。

最新的选择性钨沉积系统(Endura? Volta? Selective Tungsten CVD系统),相较于传统填充导线电阻过高的问题(只沉积电阻率较低的钨金属),从而提升芯片速度(中钨在线,2020;Applied Material,2020)。


7.封装成芯片

较为传统的是双排直立式封装(Dual Inline Package,DIP),为最早采用的 IC 封装技术,成本低廉,适合小型且不需接太多线的芯片。但由于大多采用的是塑料,散热效果较差,无法满足现行高速芯片的要求。因此,使用此封装的,大多是历久不衰的芯片,如下图中的 OP741,或是对运作速度没那么要求且芯片较小、接孔较少的 IC 芯片(博客园-焦少,2017)。目前。芯片封装技术不下20种,封装测试成功后,可以出售。



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参考文献

[1] 腾讯网(2019),沙子不是遍地都是吗?为什么全球还会出现沙子短缺的危机?,腾讯网,2019.
[2] 科技日报(2019),沙子快没了!别担心,造芯片主要用的不是它,新华网,2019.
[3] 知乎(2020),CPU是怎么制造出来的:从沙子到晶圆,知乎专栏,2020.
[4] 面包板博主(2020),论一粒沙子的重要性,半导体材料详解,电子工程视界,2020.
[5] 中国粉体网(2019),高纯多晶硅的主要生产方法,中国粉体网,2019.
[6] CSDN作者-ffdia(2020),P型半导体、N型半导体定义,CSDN,2020.
[7] 知乎-刘齐(2013),怎样理解半导体中的多子、少子。怎样理解空穴导电?,知乎,2013.
[8] 机械前沿(2019),从沙子到芯片的全过程,一组图文直观看懂!,搜狐,2019.
[9] 新浪博客-史博士(2016),多晶硅铸锭的晶体生长过程是怎样的,索比光伏网,2016.
[10] 博客园-焦少(2017),终于有人讲透了芯片是什么(设计-晶圆-封测),博客园,2017.
[11] 知乎-失效分析设备(2019),晶圆制造的过程,知乎,2019.
[12] 陈翠(2017),晶圆和芯片的关系_一个芯片有多少晶圆,电子发烧友,2017.
[13] 知乎-新思科技(2021),芯片工艺7nm、5nm中的纳米指的是什么?,知乎专栏,2021.
[14] 知乎-匿名(2020),等芯片一直突破1nm之后,之后的出路在哪,会往更小发展吗?,知乎,2020.
[15] 知乎-北京康信(2021),聚焦HKMG工艺,探究中国28nm制程技术升级路径,知乎,2021.
[16] 中钨在线(2020),选择性钨沉积工艺解决晶体管微缩瓶颈,财经头条,2020.
[17] Applied Material(2020),应用材料公司解决2D尺寸继续微缩的重大技术瓶颈,Applied Material,2020.
[18] DLHC(2021),给集成电路“开盖” & 辨别真假芯片,博客园,2021.
[19] 搜狐-满天芯(2017),史上最全的芯片封装介绍,仅此一篇,搜狐,2017.



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