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【E課堂】詳解芯片的設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程

作者: 時(shí)間:2017-07-10 來源:尋芯問料 收藏

  層層光罩,疊起一顆

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201707/361510.htm

  首先,目前已經(jīng)知道一顆 IC 會(huì)產(chǎn)生多張的光罩,這些光罩有上下層的分別,每層有各自的任務(wù)。下圖為簡(jiǎn)單的光罩例子,以積體電路中最基本的元件 CMOS 為范例,CMOS 全名為互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary metal–oxide–semiconductor),也就是將 NMOS 和 PMOS 兩者做結(jié)合,形成 CMOS。至于什么是金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)?這種在中廣泛使用的元件比較難說明,一般讀者也較難弄清,在這里就不多加細(xì)究。

  下圖中,左邊就是經(jīng)過電路布局與繞線后形成的電路圖,在前面已經(jīng)知道每種顏色便代表一張光罩。右邊則是將每張光罩?jǐn)傞_的樣子。制作是,便由底層開始,依循上一篇 IC 的制造中所提的方法,逐層制作,最后便會(huì)產(chǎn)生期望的芯片了。

  從晶圓到芯片:詳解芯片的設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程

  至此,對(duì)于 IC 設(shè)計(jì)應(yīng)該有初步的了解,整體看來就很清楚 IC 設(shè)計(jì)是一門非常復(fù)雜的專業(yè),也多虧了電腦輔助軟體的成熟,讓 IC 設(shè)計(jì)得以加速。IC 設(shè)計(jì)廠十分依賴工程師的智慧,這裡所述的每個(gè)步驟都有其專門的知識(shí),皆可獨(dú)立成多門專業(yè)的課程,像是撰寫硬體描述語言就不單純的只需要熟悉程式語言,還需要了解邏輯電路是如何運(yùn)作、如何將所需的演算法轉(zhuǎn)換成程式、合成軟體是如何將程式轉(zhuǎn)換成邏輯閘等問題。

  什么是?

  在半導(dǎo)體的新聞中,總是會(huì)提到以尺寸標(biāo)示的廠,如 8 寸或是 12 寸廠,然而,所謂的晶圓到底是什么東西?其中 8 寸指的是什么部分?要產(chǎn)出大尺寸的晶圓制造又有什么難度呢?以下將逐步介紹半導(dǎo)體最重要的基礎(chǔ)——「晶圓」到底是什么。

  晶圓(wafer),是制造各式電腦芯片的基礎(chǔ)。我們可以將芯片制造比擬成用樂高積木蓋房子,藉由一層又一層的堆疊,完成自己期望的造型(也就是各式芯片)。然而,如果沒有良好的地基,蓋出來的房子就會(huì)歪來歪去,不合自己所意,為了做出完美的房子,便需要一個(gè)平穩(wěn)的基板。對(duì)芯片制造來說,這個(gè)基板就是接下來將描述的晶圓。

  首先,先回想一下小時(shí)候在玩樂高積木時(shí),積木的表面都會(huì)有一個(gè)一個(gè)小小圓型的凸出物,藉由這個(gè)構(gòu)造,我們可將兩塊積木穩(wěn)固的疊在一起,且不需使用膠水。芯片制造,也是以類似這樣的方式,將后續(xù)添加的原子和基板固定在一起。因此,我們需要尋找表面整齊的基板,以滿足后續(xù)制造所需的條件。

  

從晶圓到芯片:詳解芯片的設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程

  在固體材料中,有一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)──單晶(Monocrystalline)。它具有原子一個(gè)接著一個(gè)緊密排列在一起的特性,可以形成一個(gè)平整的原子表層。因此,采用單晶做成晶圓,便可以滿足以上的需求。然而,該如何產(chǎn)生這樣的材料呢,主要有二個(gè)步驟,分別為純化以及拉晶,之后便能完成這樣的材料。

  如何制造單晶的晶圓

  純化分成兩個(gè)階段,第一步是冶金級(jí)純化,此一過程主要是加入碳,以氧化還原的方式,將氧化硅轉(zhuǎn)換成 98% 以上純度的硅。大部份的金屬提煉,像是鐵或銅等金屬,皆是采用這樣的方式獲得足夠純度的金屬。但是,98% 對(duì)于芯片制造來說依舊不夠,仍需要進(jìn)一步提升。因此,將再進(jìn)一步采用西門子制程(Siemens process)作純化,如此,將獲得半導(dǎo)體制程所需的高純度多晶硅。

  

從晶圓到芯片:詳解芯片的設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程

  ▲ 硅柱制造流程(Source: Wikipedia)

  接著,就是拉晶的步驟。首先,將前面所獲得的高純度多晶硅融化,形成液態(tài)的硅。之后,以單晶的硅種(seed)和液體表面接觸,一邊旋轉(zhuǎn)一邊緩慢的向上拉起。至于為何需要單晶的硅種,是因?yàn)楣柙优帕芯秃腿伺抨?duì)一樣,會(huì)需要排頭讓后來的人該如何正確的排列,硅種便是重要的排頭,讓后來的原子知道該如何排隊(duì)。最后,待離開液面的硅原子凝固后,排列整齊的單晶硅柱便完成了。

  

從晶圓到芯片:詳解芯片的設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程

  ▲ 單晶硅柱(Souse:Wikipedia)

  然而,8寸、12寸又代表什么東西呢?他指的是我們產(chǎn)生的晶柱,長(zhǎng)得像鉛筆筆桿的部分,表面經(jīng)過處理并切成薄圓片后的直徑。至于制造大尺寸晶圓又有什么難度呢?如前面所說,晶柱的制作過程就像是在做棉花糖一樣,一邊旋轉(zhuǎn)一邊成型。有制作過棉花糖的話,應(yīng)該都知道要做出大而且扎實(shí)的棉花糖是相當(dāng)困難的,而拉晶的過程也是一樣,旋轉(zhuǎn)拉起的速度以及溫度的控制都會(huì)影響到晶柱的品質(zhì)。也因此,尺寸愈大時(shí),拉晶對(duì)速度與溫度的要求就更高,因此要做出高品質(zhì) 12 寸晶圓的難度就比 8 寸晶圓還來得高。

  只是,一整條的硅柱并無法做成芯片制造的基板,為了產(chǎn)生一片一片的硅晶圓,接著需要以鉆石刀將硅晶柱橫向切成圓片,圓片再經(jīng)由拋光便可形成芯片制造所需的硅晶圓。經(jīng)過這么多步驟,芯片基板的制造便大功告成,下一步便是堆疊房子的步驟,也就是芯片制造。至于該如何制作芯片呢?

  層層堆疊打造的芯片

  在介紹過硅晶圓是什么東西后,同時(shí),也知道制造 IC 芯片就像是用樂高積木蓋房子一樣,藉由一層又一層的堆疊,創(chuàng)造自己所期望的造型。然而,蓋房子有相當(dāng)多的步驟,IC 制造也是一樣,制造 IC 究竟有哪些步驟?接下來將就 IC 芯片制造的流程做介紹。

  在開始前,我們要先認(rèn)識(shí) IC 芯片是什么。IC,全名積體電路(Integrated Circuit),由它的命名可知它是將設(shè)計(jì)好的電路,以堆疊的方式組合起來。藉由這個(gè)方法,我們可以減少連接電路時(shí)所需耗費(fèi)的面積。下圖為 IC 電路的 3D 圖,從圖中可以看出它的結(jié)構(gòu)就像房子的樑和柱,一層一層堆疊,這也就是為何會(huì)將 IC 制造比擬成蓋房子。

  

從晶圓到芯片:詳解芯片的設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程

  ▲ IC 芯片的 3D 剖面圖。(Source:Wikipedia)

  從上圖中 IC 芯片的 3D 剖面圖來看,底部深藍(lán)色的部分就是上一篇介紹的晶圓,從這張圖可以更明確的知道,晶圓基板在芯片中扮演的角色是何等重要。至于紅色以及土黃色的部分,則是于 IC 制作時(shí)要完成的地方。

  首先,在這裡可以將紅色的部分比擬成高樓中的一樓大廳。一樓大廳,是一棟房子的門戶,出入都由這裡,在掌握交通下通常會(huì)有較多的機(jī)能性。因此,和其他樓層相比,在興建時(shí)會(huì)比較復(fù)雜,需要較多的步驟。在 IC 電路中,這個(gè)大廳就是邏輯閘層,它是整顆 IC 中最重要的部分,藉由將多種邏輯閘組合在一起,完成功能齊全的 IC 芯片。

  黃色的部分,則像是一般的樓層。和一樓相比,不會(huì)有太復(fù)雜的構(gòu)造,而且每層樓在興建時(shí)也不會(huì)有太多變化。這一層的目的,是將紅色部分的邏輯閘相連在一起。之所以需要這么多層,是因?yàn)橛刑嗑€路要連結(jié)在一起,在單層無法容納所有的線路下,就要多疊幾層來達(dá)成這個(gè)目標(biāo)了。在這之中,不同層的線路會(huì)上下相連以滿足接線的需求。



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