芯片的百万亿的晶体管是怎么来的？

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）

（此处担心有版权问题… 毕竟我也是拿别人钱干活的苦逼phd… 就不放全电路图了… 大家看看就好， 望理解！）

再放大。..

我们终于看到一个门电路啦！ 这是一个NAND Gate（与非门）， 大概是这样：

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。..

那晶体管（更正， 题主的“晶体管” 自199X年以后已经主要是 MOSFET， 即场效应管了 ） 呢？

仔细看图， 看到里面那些白色的点吗？ 那是衬底， 还有一些绿色的边框？ 那些是Active Layer （也即掺杂层。）

然后Foundry是怎么做的呢？ 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）

图片按照生产步骤排列。 但是步骤总结单独写出。

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。我们来一步步看：

就可以出厂封装了。我们来一步步看：

1、上面是氧化层， 下面是衬底（硅） -- 湿洗

2、一般来说， 先对整个衬底注入少量（10^10 ~ 10^13 / cm^3） 的P型物质（最外层少一个电子）， 作为衬底 -- 离子注入

3、先加入Photo-resist， 保护住不想被蚀刻的地方 -- 光刻

4、上掩膜！ （就是那个标注Cr的地方。 中间空的表示没有遮盖， 黑的表示遮住了。） -- 光刻

5、紫外线照上去。.. 下面被照得那一块就被反应了 -- 光刻

6、撤去掩膜。 -- 光刻

7、把暴露出来的氧化层洗掉， 露出硅层（就可以注入离子了） -- 光刻

8、把保护层撤去。 这样就得到了一个准备注入的硅片。 这一步会反复在硅片上进行（几十次甚至上百次）。 -- 光刻

9、然后光刻完毕后， 往里面狠狠地插入一块少量（10^14 ~ 10^16 /cm^3） 注入的N型物质就做成了一个N-well （N-井） -- 离子注入

10、用干蚀刻把需要P-well的地方也蚀刻出来。 也可以再次使用光刻刻出来。 -- 干蚀刻

11、上图将P-型半导体上部再次氧化出一层薄薄的二氧化硅。 -- 热处理

12、用分子束外延处理长出的一层多晶硅， 该层可导电 -- 分子束外延

13、进一步的蚀刻， 做出精细的结构。 （在退火以及部分CVD） -- 重复3-8光刻 + 湿蚀刻13 进一步的蚀刻， 做出精细的结构。 （在退火以及部分CVD） -- 重复3-8光刻 + 湿蚀刻

14、再次狠狠地插入大量（10^18 ~ 10^20 / cm^3） 注入的P/N型物质， 此时注意MOSFET已经基本成型。 -- 离子注入

15、用气相积淀 形成的氮化物层 -- 化学气相积淀

16、将氮化物蚀刻出沟道 -- 光刻 + 湿蚀刻

17、物理气相积淀长出 金属层 -- 物理气相积淀

18、将多余金属层蚀刻。 光刻 + 湿蚀刻重复 17-18 长出每个金属层哦对了。.. 最开始那个芯片， 大小大约是1.5mm x 0.8mm

啊~~ 找到一本关于光刻的书， 更新一下， 之前的回答有谬误。.

书名：　《《 IC Fabrication Technology 》》 By BOSE

细说一下光刻。 题主问了： 小于头发丝直径的操作会很困难， 所以光刻（比如说100nm）是怎么做的呢？

比如说我们要做一个100nm的门电路（90nm technology）， 那么实际上是这样的：

这层掩膜是第一层， 大概是10倍左右的Die Size有两种方法制作： Emulsion Mask 和 Metal MaskEmulsion Mask：

这货分辨率可以达到 2000line / mm （其实挺差劲的。.. 所以sub-micron ，也即um级别以下的 VLSI不用。.. ）这货分辨率可以达到 2000line / mm （其实挺差劲的。.. 所以sub-micron ，也即um级别以下的 VLSI不用。.. ）制作方法： 首先： 需要在Rubylith （不会翻译。..） 上面刻出一个比想要的掩膜大个20倍的形状 （大概是真正制作尺寸的200倍）， 这个形状就可以用激光什么的刻出来， 只需要微米级别的刻度。

然后：

给！它！照！相！ ， 相片就是Emulsion Mask！ 给！它！照！相！ ， 相片就是Emulsion Mask！ 如果要拍的“照片”太大， 也有分区域照的方法。 Metal Mask：

制作过程： 1、先做一个Emulsion Mask， 然后用Emulsion Mask以及我之前提到的17-18步做Metal Mask！ 瞬间有种Recursion的感觉有木有！！！

2、Electron beam：

大概长这样

制作的时候移动的是底下那层。 电子束不移动。

就像打印机一样把底下打一遍。

好处是精度特别高， 目前大多数高精度的（《100nm技术）都用这个掩膜。 坏处是太慢。..

做好掩膜后：

Feature Size = k*lamda / NA

k一般是0.4， 跟制作过程有关; lamda是所用光的波长; NA是从芯片看上去， 放大镜的倍率。

以目前的技术水平， 这个公式已经变了， 因为随着Feature Size减小， 透镜的厚度也是一个问题了

Feature Size = k * lamda / NA^2

恩。. 所以其实掩膜可以做的比芯片大一些。 至于具体制作方法， 一般是用高精度计算机探针 + 激光直接刻板。 Photomask（掩膜） 的材料选择一般也比硅晶片更加灵活， 可以采用很容易被激光汽化的材料进行制作。

这个光刻的方法绝壁是个黑科技一般的点！ 直接把Lamda缩小了一个量级， With no extra cost！ 你们说吼不吼啊！

Food for Thought： Wikipedia上面关于掩膜的版面给出了这样一幅图， 假设用这样的掩膜最后做出来会是什么形状呢？

于是还没有人理Food for thought.。.

附图的步骤在每幅图的下面标注， 一共18步。

最终成型大概长这样：

其中， 步骤1-15 属于 前端处理 （FEOL）， 也即如何做出场效应管

步骤16-18 （加上许许多多的重复） 属于后端处理 （BEOL） ， 后端处理主要是用来布线。 最开始那个大芯片里面能看到的基本都是布线！ 一般一个高度集中的芯片上几乎看不见底层的硅片， 都会被布线遮挡住。

SOI （Silicon-on-Insulator） 技术：

传统CMOS技术的缺陷在于： 衬底的厚度会影响片上的寄生电容， 间接导致芯片的性能下降。 SOI技术主要是将 源极/漏极 和 硅片衬底分开， 以达到（部分）消除寄生电容的目的。

传统：

SOI：

制作方法主要有以下几种（主要在于制作硅-二氧化硅-硅的结构， 之后的步骤跟传统工艺基本一致。）1. 高温氧化退火：

在硅表面离子注入一层氧离子层

等氧离子渗入硅层， 形成富氧层

高温退火

成型。

或者是2. Wafer Bonding（用两块！ ）不是要做夹心饼干一样的结构吗？ 爷不差钱！ 来两块！

来两块！

对硅2进行表面氧化

对硅2进行氢离子注入对硅2进行氢离子注入

翻面

将氢离子层处理成气泡层将氢离子层处理成气泡层

切割掉多余部分切割掉多余部分

成型！ + 再利用

光刻

离子注入离子注入

微观图长这样：

再次光刻+蚀刻

撤去保护， 中间那个就是Fin撤去保护， 中间那个就是Fin

门部位的多晶硅/高K介质生长门部位的多晶硅/高K介质生长

门部位的氧化层生长门部位的氧化层生长

长成这样

源极 漏极制作（光刻+ 离子注入）

初层金属/多晶硅贴片

蚀刻+成型

物理气相积淀长出表面金属层（因为是三维结构， 所有连线要在上部连出）

机械打磨（对！ 不打磨会导致金属层厚度不一致）

成型！ 成型！

连线

大概就是酱紫。..

编辑：黄飞