芯片里的几千万晶体管是怎么实现的?佳讯芯城小编今天给大家简单的科普一下
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    2018-10-12 12:25:30

    随着苹果公司2018年秋季产品的发布,映入大家眼帘的除了高昂的价格让大家直呼买不起以外。其实还是有亮点的,作为杏耀之旅元器件业余爱好者的角度,最关注的就是9nm芯片,那么什么是9nm呢。小小的芯片里几千万的晶体管是怎么安装进去的呢。今天佳讯芯城的小编就和大家科普一下:

    要想造个芯片, 首先, 你得画出来一个长这样的玩意儿给Foundry (外包的晶圆制造公司)

    佳讯芯城 

    经过再次放大,我们得到了下面的图片。

    青岛佳讯芯城 

    我们终于看到一个门电路啦! 这是一个NAND Gate(与非门),

    A, B 是输入, Y是输出. 
    其中蓝色的是金属1层, 绿色是金属2层, 紫色是金属3层, 粉色是金属4层... 

    然后怎么做呢? 大体上分为以下几步:

    首先搞到一块圆圆的硅晶圆, (就是一大块晶体硅, 打磨的很光滑, 一般是圆的)

    1. 湿洗 (用各种试剂保持硅晶圆表面没有杂质)

    2. 光刻 (用紫外线透过蒙版照射硅晶圆, 被照到的地方就会容易被洗掉, 没被照到的地方就保持原样. 于是就可以在硅晶圆上面刻出想要的图案. 注意, 此时还没有加入杂质, 依然是一个硅晶圆. )

    3. 离子注入 (在硅晶圆不同的位置加入不同的杂质, 不同杂质根据浓度/位置的不同就组成了场效应管.)

    4.1干蚀刻 (之前用光刻出来的形状有许多其实不是我们需要的,而是为了离子注入而蚀刻的. 现在就要用等离子体把他们洗掉, 或者是一些第一步光刻先不需要刻出来的结构, 这一步进行蚀刻).

    4.2湿蚀刻 (进一步洗掉, 但是用的是试剂, 所以叫湿蚀刻).

    --- 以上步骤完成后, 场效应管就已经被做出来啦~ 但是以上步骤一般都不止做一次, 很可能需要反反复复的做, 以达到要求. ---

    5 等离子冲洗 (用较弱的等离子束轰击整个芯片)

    6 热处理, 其中又分为:

    6.1 快速热退火 (就是瞬间把整个片子通过大功率灯啥的照到1200摄氏度以上, 然后慢慢地冷却下来, 为了使得注入的离子能更好的被启动以及热氧化)
    6.2 退火
    6.3 热氧化 (制造出二氧化硅, 也即场效应管的栅极(gate) )

    7 化学气相淀积(CVD), 进一步精细处理表面的各种物质

    8 物理气相淀积 (PVD), 类似, 而且可以给敏感部件加coating

    9 分子束外延 (MBE) 如果需要长单晶的话就需要这个..

    10 电镀处理

    11 化学/机械 表面处理

    然后芯片就差不多了, 接下来还要:
    12 晶圆测试
    13 晶圆打磨

    就可以出厂封装了.

     

    放两张照片和大家分享。

    佳讯商城
    这是一个Top-down View 的SEM照片,可以非常清晰的看见CPU内部的层状结构,越往下线宽越窄,越靠近器件层。
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    这是CPU的截面视图,可以清晰的看到层状的CPU结构,由上到下有大约10层,其中最下层为器件层,即是MOSFET晶体管。

    拆解的CPU是AMD的产品,AMD作为IBM阵营的公司,同Intel不同,其采用的是SOI 衬底技术。


    关于之前提到的Intel 14nm 技术,在去年的国际杏耀之旅器件会议上(IEDM2014),Intel公布了其的具体的技术细节,虽然还是有些语焉不详,但已经能够比较完整了解其中的一些工艺进展。

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    此为3D FinFET中的Fin结构,Fin Pitch(两个Fin之间的距离)为40nm,这对于工艺上是很大的挑战了,同时对于提高集成度缩小成本具有非常重要的意义。

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    这是整个CPU某一区域的截面TEM图,很明显比我那个粗糙的SEM要清楚太多了。最下层同样是晶体管。

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    这张图上显示了Intel最新采用的Air Gap技术,图中黑色区域即是air gap。因为空气的K值近乎最低,此举有利于减小互联线之间的寄生电容,减小信号delay。

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    同时在IEDM 2014上IBM也公布了SOI阵营的14nm技术,相比Intel的技术,IBM要更加fancy和复杂,估计成本也要高不少。

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    和Intel的体硅(Bulk Si)技术不一样,IBM采用的是绝缘体上硅(SOI)上的3D晶体管。

     

    9nm的芯片,我们现在手上还没有。没法拍图,但是是同样的道理,工艺更精准。虽然尺寸小了看似不是很多。但背后付出的艰辛是无数杏耀之旅工程师日以继夜的研发生产出来的。我们享受高科技带来的便利的同时,也感谢他们的付出。佳讯芯城也会尽我们的努力,推动科技的发展。