Nuförtiden, med den kontinuerliga förbättringen av chiptillverkningsprocessen, kan det finnas mer än 10 miljarder transistorer i chipet. Hur installeras så många transistorer?
1
När chipet kontinuerligt förstoras ser det ut som en enorm stad inuti.
Detta är ett SEM-foto uppifrån och ned. Du kan tydligt se den skiktade strukturen inuti CPU:n. Linjebredden blir smalare när du går ner, närmare enhetslagret.
Detta är en tvärsnittsvy av CPU:n. Du kan tydligt se den skiktade CPU-strukturen. Chipet är arrangerat i lager. Denna CPU har cirka 10 lager. Det lägsta lagret är enhetslagret, som är MOSFET-transistorn.
När Mos-röret förstoras i chippet kan en tredimensionell struktur som ett "podium" ses. Transistorn har ingen induktans, resistans eller andra enheter som är benägna att generera värme. Det översta lagret är en elektrod med låg resistans, som är separerad från plattformen nedanför av en isolator. Den använder vanligtvis polykisel av P-typ eller N-typ som råmaterial för grinden, och isolatorn nedan är kiseldioxid.
De två sidorna av plattformen är källan och avloppet genom att lägga till föroreningar, och deras positioner kan bytas ut. Avståndet mellan de två är kanalen, och det är detta avstånd som bestämmer chipets egenskaper.
Naturligtvis är transistorerna i chipet inte bara Mos-rör, utan också tri-gate transistorer. Transistorerna är inte installerade, utan graverade under chiptillverkning.
När chipdesignern designar ett chip kommer chipdesignern att använda EDA-verktyg för att planera layouten av chipet och sedan rutt och rutt.
Om vi zoomar in på den designade grindkretsen är de vita prickarna substratet och några gröna gränser är de dopade lagren.
Wafergjuteriet tillverkas enligt den fysiska layouten designad av chipdesignern.
Det finns två trender inom chiptillverkning. En är att wafers blir större och större, så att fler marker kan skäras ut för att spara effektivitet. Den andra är chiptillverkningsprocessen. Konceptet med tillverkningsprocess är egentligen storleken på grinden, som också kan kallas I transistorstrukturen flyter strömmen från Source till Drain, och Gate (Gate) är likvärdig med en gate, som huvudsakligen är ansvarig för styra av- och på källan och dräneringen i båda ändar.
Strömmen kommer att gå förlorad, och grindens bredd bestämmer förlusten när strömmen passerar, vilket manifesteras i den vanliga värmegenereringen och strömförbrukningen för mobiltelefoner. Ju smalare bredd, desto lägre strömförbrukning. Portens minsta bredd (grindlängd) är tillverkningsprocessen.
Syftet med att krympa nanometerprocessen är att packa fler transistorer i ett mindre chip, så att chippet inte blir större på grund av teknisk förbättring.
Men om vi gör porten mindre, ju snabbare strömmen kommer att flyta mellan källan och avloppet, desto svårare blir processen.
Chiptillverkningsprocessen är uppdelad i sju stora produktionsområden, som är diffusion, fotolitografi, etsning, jonimplantation, filmtillväxt, polering och metallisering. Fotolitografi och etsning är de två kärnstegen.
Transistorer graveras med litografi och etsning, och litografi ska göra de kretsar och funktionella områden som krävs för chipproduktion.
Ljuset som emitteras av fotolitografimaskinen används för att exponera arket belagt med fotoresist genom en fotomask med ett mönster. Grafens roll.
Detta är litografins roll, liknande det att ta bilder med en kamera. Fotot som tas av kameran skrivs ut på negativet, och litografin skriver inte ut fotot, utan kretsschemat och andra elektroniska komponenter.
Etsning är processen att selektivt ta bort oönskat material från ytan på en kiselskiva med kemiska eller fysikaliska metoder. I det vanliga skivbearbetningsflödet är etsningsprocessen lokaliserad efter fotolitografiprocessen, och det mönstrade fotoresistskiktet kommer inte att eroderas avsevärt av korrosionskällan under etsningen, för att fullborda processsteget med mönsteröverföring. Etsningsprocessen är ett nyckelsteg för att replikera maskmönster.
bild
Bland dem är materialet fotoresist. Vi måste veta att kretsdesignen först skrivs på fotomasken med laser, och sedan bestrålas ljuskällan genom masken till ytan av kiselskivan med fotoresist, vilket orsakar exponeringsområdet. Fotoresisten har en kemisk effekt, och sedan det exponerade eller oexponerade området löses upp och avlägsnas genom framkallningsteknik, så att kretsmönstret på masken överförs till fotoresisten, och slutligen överförs mönstret till kiselskivan genom etsningsteknik.
Fotolitografi är uppdelad i två grundläggande processer, positiv fotolitografi och negativ fotolitografi, enligt skillnaden mellan positiv och negativ fotolitografi. Vid positiv fotolitografi förstörs strukturen av den exponerade delen av den positiva resisten och tvättas bort av lösningsmedlet, så att mönstret på fotoresisten är detsamma som mönstret på masken.
Omvänt, vid litografi med negativ ton, hårdnar den exponerade delen av negativresisten och blir olöslig, och maskdelen tvättas bort av lösningsmedlet, vilket gör mönstret på fotoresisten till motsatsen till mönstret på masken.
Vi kan enkelt förklara detta steg från mikronivå.
En färdiggjord fotoresistplatta täcks på wafern (eller kiselwafern) belagd med fotoresist, och sedan bestrålas skivan med ultravioletta strålar under en viss tidsperiod genom fotoresistplattan. Principen är att använda ultravioletta strålar för att bryta ned en del av fotoresisten och göra den lätt att korrodera.
Upplösande fotoresist: Den fotoresist som exponeras för ultraviolett ljus i fotolitografiprocessen löses upp och mönstret som lämnas efter borttagning överensstämmer med det på masken.
"Etsning" betyder att efter fotolitografi etsas den försämrade delen av fotoresisten (positiv resist) bort med en etslösning, och ytan på skivan visar mönstret för halvledaranordningen och dess anslutning. Använd sedan en annan etslösning för att etsa skivan för att bilda halvledarenheter och deras kretsar.
Borttagning av fotoresist: Efter att etsningen är klar, förklaras fotoresistens uppdrag avslutat, och det designade kretsmönstret kan ses efter all borttagning.
Mer än 10 miljarder transistorer har skapats på detta sätt, och transistorer används i en mängd olika digitala och analoga funktioner, inklusive förstärkning, omkoppling, spänningsreglering, signalmodulering och oscillatorer.
Fler transistorer kan öka processorns beräkningseffektivitet; dessutom kan en minskning av storleken också minska strömförbrukningen; slutligen, efter att chippet har minskat i storlek, är det lättare att ansluta det till en mobil enhet för att möta behoven av framtida gallring och ljusning.
Bildchip transistor tvärsnitt
Efter 3nm är strömtransistorerna inte längre lämpliga, och halvledarindustrin utvecklar för närvarande nanosheet-FET (GAA FET) och nanotråd-FET (MBCFET), som anses vara vägen framåt för dagens finFET.
Samsung satsar på GAA gate-around transistorteknologi, som TSMC ännu inte har släppt specifika processdetaljer. Samsung tillkännagav GAA surround gate-transistorn först 2019. Enligt Samsungs officiella uttalande, baserat på den nya GAA-transistorstrukturen, tillverkade Samsung MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET, multi-bridge-channel field effect transistor) genom att använda nanosheet-enheter. ), vilket avsevärt kan förbättra transistorns prestanda och ersätta FinFET-transistortekniken.
bild
Dessutom är MBCFET-tekniken också kompatibel med existerande FinFET-tillverkningsprocessteknik och utrustning, vilket påskyndar processutveckling och produktion.
2
