讲讲芯片的流片制造那些事儿

    终于等来一个不加班的周六。夜已深，结束了一天叽叽喳喳的喧嚣和鸡飞狗跳的日程安排，终于是可以安静下来了。

1 绪论

    今天我们讲讲芯片的流片制造那些事儿。这个流程的输入是设计的版图文件，输出是做好的芯片晶圆。

    这是芯片的第四个流程。这块儿，我国65nm这个量级的做的还可以，14nm应该SMIC也凑活，先进制程7乃至5nm的商业化基本是空白。属于真正被大洋彼岸卡脖子的部分。这篇文章科普一下整个制造流程。技术部分应该比较少，所以我们讲点儿故事。管中窥豹，我们的故事不妨从台积电展开。

2 台积电的过往

    我们说芯片代工厂，你第一个想到的是什么？我想做芯片的大部分人可能脱口而出就一个——台积电（TSMC），全称是某省积体电路制造股份有限公司。积体电路就是集成电路的一种叫法，类似于把菠萝叫凤梨。中国人似乎讲究周期。台积电基本上恰好10年一个周期。台积电的第一个十年——蹒跚起步    85年，德州仪器的一个哥们回岛了。他属于最早进入这个邻域的一批人，在德州仪器属于三号人物。在岛内混了几年，1987年，55岁的他决定搞个厂糊口（同年，深圳一个43岁的哥们也准备搞个厂糊口，你应当听说过）。这家厂子一开始就给自己定位成代工厂，不做设计，只负责制造。和大部分创业公司一样，台积电的前三年也经历了好多庙小妖风大的挫折，不过好歹，张忠谋在美帝有些人脉，1990年，英特尔CEO正想着怎么把公司中心从存储转到CPU上，经过张忠谋这么一忽悠，单子可不就来了么。英特尔老大哥帮台积电实现了第一次飞跃。台积电的第二个十年——发展壮大    转眼，1997年，台积电已经成立10年了。一家公司，要是能活10年，确实有点东西的，遭到山寨也在所难免。这个时候另一个德州仪器的哥们叫张汝京的，回岛山寨了一个台积电出来，叫世大半导体。三年达到台积电30%产能。台积电一气之下就发动钞能力说动世大的股东把世大给买了。张汝京跑路到上海，建了另一个厂，叫SMIC，这是后话。这个阶段台积电过的有滋有味，不过和英特尔比它始终是个弟弟。全球最好的制程都在英特尔手中。台积电的第三个十年——走向风口    日月如梭，2007年，一个穿着黑T恤和牛仔裤的哥们从裤兜里掏出一个手机。消费电子的时代到来了。台积电赶上了手机这波热潮。手机讲究一代手机，一代芯片。制程跟不上哪行，至此除了三星和英特人，其他家都选择了台积电的代工厂模式。2014年，张忠谋搞个了夜莺计划，从此，代工厂三班倒的时代到来了。这个时候英特尔不再那么遥远，慢慢超越了。台积电的第四个十年——对抗 or 合作？

    2017年，一个叫梁孟松的人回国加入了SMIC，隐约记得一个以前在中芯国际的哥们说，当年中芯国际为了请他来，把一层楼给他做办公室。他是台积电元老，09年离开台积电。去了三星，然后三星就越来越长的像台积电，在14nm工艺上甚至摆了TSMC一道。台积电一纸诉状让梁孟松离开了三星，结果2017年，他到了SMIC。虽然2020年蒋尚义归来，梁准备离开，但反映出的一个趋势值得我们注意。大陆不愿意在这个事儿上被卡脖子了。有人这么说过，中国其实是一个伪装成国家的文明，除非你有本事直接卡断脖子，否则非常容易集中力量办大事，给你甩出一个京东方出来。台积电后续怎么发展，我们拭目以待2027年。

3 芯片的制造流程

    我们扯了一堆台积电，那么台积电到底怎么用沙子把版图造成芯片的？这个流程的图我是从intel 《From Sand to Silicon》这篇文章里贴的。

step1, 挖沙子，然后做成硅锭    其中，硅要足够的纯，要9个9,99.9999999%纯度。我们为什么要用SI做芯片？也简单，硅是半导体，能做开关，世界上沙子也多，还容易提纯，与是就决定是它了。step2, 硅锭切成硅片    将硅锭切成1mm左右一片片的wafer（晶圆）。晶圆尺寸有大有小，比如8inch, 12inch的晶圆，光刻的时候直接刻整个圆，然后切下来好多小芯片。    硅片切好以后，需要在上面氧化一层二氧化硅，用来做栅极。我们来看看下面的剖面图，红色的就是二氧化硅。step3, 光刻    这个步骤首先在硅片上抹上一层光刻胶，一般来讲光一照，光刻胶就溶解（正胶）。然后用做好的掩模mask来照射wafer。    我们看上面这个剖面图，黄色的就是我们加入的光刻胶。黑色是我们根据版图制作出来的模板。然后用UV光去照，把光刻胶镂空。step4, 刻蚀与粒子注入    这个步骤，我们用药水把oxide刻蚀了，然后把光刻胶洗掉，最后注入离子。    我们看剖面图。f就是刻好的oxide. 然后在洞里注入离子，形成源极和漏极。至此我们的晶体管就造好了。    此处要插播一个小知识。我们平时说的工艺制程，比如28nm, 14nm指的是晶体管栅极宽度，也就是导电沟道的长度，不是指的线宽，最小线宽一般比制程要粗了现在。我在图上标注了65nm指的是什么。    在GDS版图上是这个距离，下面画了个非门的版图。step5 金属线制作    这个步骤主要是上硅片上连上金属线。这个过程我们依旧看下面的剖面图比较清楚。    看b图，首先在上面电镀一层金属，c图用光刻胶和掩膜版再刻蚀一遍得到d图，然后一层一层刻蚀叠加起来就行，层与层之间只有固定的通孔via用于连接。step6 硅片测试与切片    接下来代工厂还要做几个事儿。    第一件事儿是先检查一下晶圆和芯片是不是好的。主要包含了两个测试。    WAT （Wafer Acceptance Test）, 这个主要是测试一下晶圆的电学特性是不是正常的。WAT测试电路代工厂在流片的时候就直接加入到晶圆里了，主要包括了各种晶体管参数比如阈值电压，漏电流，电阻，电容是不是正常的。WAT的测试向量是代工厂自己搞的。    CP(Chip Probing）测试。WAT测试没问题以后，接下来进行CP测试，先用探针看看芯片是不是好的，有问题的芯片直接扔掉，免得浪费封装成本。一般会用到前面讲的DFT三把斧，sacn chain, JTAG, BIST。CP测试向量由设计商提供。如果CP不合格，直接标记出来，扔掉。    CP测试完了以后，就把芯片按照划片槽切成一个个小的芯片，装盒。寄出来了。4 总结    这篇文章我们一起回忆了一下台积电的往事，同时对芯片在代工厂的流程做了大概的讲解。实际上芯片的制作的工艺流程要复杂非常多，比如现在制程越来越小，光刻的时候量子隧穿效应非常严重，做出来模板肯定不是你想想的镂空的窗花，这里只是讲了最重要最基础的步骤。这篇文章的输入是设计的GDS, 输出是一个个芯片裸片。这些裸片没办法直接接到PCB上的，需要经过后续的封装和测试，才算是真正的芯片。编辑：黄飞