芯片制造：搭积木很难吗？

来源：超级无线店

如今的5G手机终端已经远远不止是通信工具，还可以是办公生产工具、可以是相机、可以是身份证明、可以是影音娱乐设备、插入VR设备中甚至可以是元宇宙的接口，它伴随人们左右，填满了人们每天日常。为了实现这些功能，终端内的数十种芯片正在勤勤恳恳地默默奉献中。

而一款芯片的诞生主要由芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试组成。有人说芯片制造好似乐高搭积木，芯片设计相当于乐高的那张设计图纸，那么根据图纸搭个积木很难吗？接下来就给各位看官介绍下芯片制造是如何点沙成“芯”的（硅基芯片为例），让咱们看看他到底难不难。

说到搭积木首先咱们得有基本的积木块块，而芯片的“积木”就是晶元了。晶元其实就是高纯度的硅切片。首先，为了得到高纯度的硅，将硅石（二氧化硅，也就是沙子）通过氧化还原反应，还原成硅，并通过各种化学提纯手段，去除硅里面杂质，这时硅的纯度可以达到99.999999999%。

纯度虽然很高了，但是此时硅的晶格排布还是紊乱的。为了得到整齐排布的硅，一般会通过直拉法等方法，用单晶的硅种将多晶的硅液“诱导”形成一根具有晶格整齐排布的单晶硅棒。

然后，掐头去尾，再用钢琴丝做的线刀将其切片，分成一片片的硅薄片，也就是晶元，到这里我们总算是有了初始的“积木”。

有了“积木”，接下来就是照着图纸“搭积木”了，也就是硅晶元上生成数以千亿计的晶体管以及对应连接的电路。为了生成这些晶体管就需要对晶圆进行反复加工，一层层堆积，最终形成一晶圆的未包装的芯片裸片。接下来，给各位看官具体介绍下如何在晶圆上长出晶体管并形成芯片。

（一）

Step 1 光刻加刻蚀，芯片制造的核心

 

当拿到一片晶圆后，首先需要对它进行清洗和离子注入（一般让其呈P型）的工作。然后通过化学气相沉淀，在晶圆上长出来芯片需要的一些层。为了在晶圆上雕刻我们想要的图形，我们需要用光刻胶保护住不希望刻除的部分，那么就需要用光刻胶“画出”我们想要的图形。这一步我们用光刻胶涂满晶元，然后激光穿过雕刻着图形的掩膜板，和光刻胶反应。反应后的光刻胶可以用显影液清洗掉，这样我们就得到了想要的光刻胶图形，并形成了晶体管位置的基础图形。

光刻加刻蚀在芯片制造中会反复出现，用来雕刻不同位置的图形，这个方法是芯片诞生的核心思想。

（二）

Step 2 物理和化学交织，编织出芯片制造的基础

实际从制备晶圆，提纯硅材料开始，化学就始终陪伴着芯片制造。在对晶圆的加工过程中，化学与芯片制造就结合得更为紧密了。从化学气相沉淀生长材料、到离子注入使材料呈现特定的特性、再到光刻胶的去除及固化和湿式刻蚀通过化学反应溶解需要去除的部分，化学不可或缺地扮演着重要角色。接下来的晶体管生成更是可以清晰体现这点。

 

对上面的晶圆继续加工，在侧壁生长硅氧化物对各晶体管进行隔离，然后将顶部的氧化层去除，再生长一层纯净的氧化层，并在氧化层上生长一层多晶硅来制作晶体管的栅极。接下来再实施一次光刻加刻蚀，完成栅极制作。接下来施展离子注入，在晶圆上形成n型区域，此时已经有晶体管的雏形了。接着生长硅氧化层并用干性刻蚀，使得n型区域剥离出来的同时，给栅极增加侧壁保护。然后，再用离子注入形成高浓度n型导电区域，此时晶体管已经基本完成。为了更好连接各个电极，先溅镀生长一层钴薄膜，然后加热让钴和硅反应生产硅钴薄膜，最后用湿式刻蚀去除多余的钴膜，晶体管就算正式完成了。

（三）

Step 3 芯片加工反复重复，勇敢牛牛不怕困难

从上述的步骤可以看到在芯片制造的过程中，反复对晶圆进行材料生长然后光刻刻蚀，或直接刻蚀。而实际上，上述步骤只是最简单的示意，实际加工中有些步骤甚至需要反复重复达数十次。而复杂的背后是因为芯片加工维度是纳米级的，设备无法精准地指哪儿打哪儿，那么只能靠反复重复，一点点地完成芯片加工。所以说芯片制造搭的是个“纳米积木”。而后面的晶体管连线也又一次体现了芯片加工的复杂性。

 

在刚刚形成的晶体管上生长出硅氧化膜，然后通过光刻和刻蚀形成通孔，然后溅镀上氮化钛保护膜，然后继续生长出钨膜，最后打磨掉多余的钨膜，形成钨塞，这样晶体管的管脚就引出了。随后溅镀上铝膜，并通过光刻和刻蚀得到想要的第一层布线图形，到这里第一层布线就完成了。

也许有看官说，感觉连线也不是很复杂啊，但是一般一颗芯片需要数十层布线层，这就不是一件轻松的差事了。

完成芯片裸片的制作后，经过减薄、划片、引线等后道封装以及测试，芯片就呈现出我们一般看到的样子了，算是大功告成。

看到这儿各位看官应该对芯片制造有了初步的了解。至于这个“积木”是否难搭也有了自己的答案了。当然上面的步骤仅仅是简单的介绍，其背后还有很多的原理和需要解决的问题点，更关键的是现在主流的7nm/5nm工艺采用的是鳍式3D结构，加工难度和复杂度进一步提升，各位看官可以去自行搜索一下，感受一下为了获得更高芯片性能，工程师们所做的努力与挣扎！可以说，5G终端中的每一块小小的芯片中都凝聚了工程师们的毕生所学，闪耀着点石成金的神奇光芒。

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