Tegenwoordig kunnen er met de voortdurende verbetering van het fabricageproces van de chip meer dan 10 miljard transistors in de chip zitten. Hoe zijn er zoveel transistors geïnstalleerd?
1
Wanneer de chip continu wordt vergroot, ziet het eruit als een enorme stad van binnen.
Dit is een SEM-foto van bovenaf. Je kunt duidelijk de gelaagde structuur in de CPU zien. De lijndikte wordt smaller naarmate u naar beneden gaat, dichter bij de apparaatlaag.
Dit is een dwarsdoorsnede van de CPU. Je ziet duidelijk de gelaagde CPU-structuur. De chip is in lagen gerangschikt. Deze CPU heeft ongeveer 10 lagen. De onderste laag is de apparaatlaag, de MOSFET-transistor.
Wanneer de Mos-buis in de chip wordt vergroot, is een driedimensionale structuur als een "podium" te zien. De transistor heeft geen inductantie, weerstand of andere apparaten die gevoelig zijn voor warmteontwikkeling. De bovenste laag is een elektrode met lage weerstand, die door een isolator van het onderliggende platform is gescheiden. Het gebruikt over het algemeen P-type of N-type polysilicium als grondstof voor de poort en de onderstaande isolator is siliciumdioxide.
De twee zijden van het platform zijn de bron en de afvoer door onzuiverheden toe te voegen, en hun posities kunnen worden verwisseld. De afstand tussen de twee is het kanaal, en het is deze afstand die de kenmerken van de chip bepaalt.
Uiteraard zijn de transistoren in de chip niet alleen Mos buizen, maar ook tri-gate transistoren. De transistors worden niet geïnstalleerd, maar gegraveerd tijdens de chipproductie.
Bij het ontwerpen van een chip gebruikt de chipontwerper EDA-tools om de lay-out van de chip te plannen en vervolgens te routeren en te routeren.
Als we inzoomen op het ontworpen poortcircuit, zijn de witte stippen het substraat en sommige groene randen zijn de gedoteerde lagen.
De wafelgieterij wordt vervaardigd volgens de fysieke lay-out die is ontworpen door de chipontwerper.
Er zijn twee trends in de chipproductie. Een daarvan is dat wafels steeds groter worden, zodat er meer chips kunnen worden uitgesneden om efficiëntie te besparen. De andere is het fabricageproces van de chip. Het concept van het fabricageproces is eigenlijk de grootte van de poort, die ook kan worden genoemd. In de transistorstructuur stroomt de stroom van de bron naar de afvoer, en de poort (poort) is gelijk aan een poort, die voornamelijk verantwoordelijk is voor het regelen van de aan-uit van de source en drain aan beide uiteinden.
De stroom gaat verloren en de breedte van de poort bepaalt het verlies wanneer de stroom passeert, wat tot uiting komt in de algemene warmteontwikkeling en het stroomverbruik van mobiele telefoons. Hoe smaller de breedte, hoe lager het stroomverbruik. De minimale breedte (poortlengte) van de poort is het fabricageproces.
Het doel van het verkleinen van het nanometerproces is om meer transistors in een kleinere chip te stoppen, zodat de chip niet groter wordt door technologische verbeteringen.
Maar als we de poort kleiner maken, hoe sneller de stroom tussen de bron en de afvoer gaat, hoe moeilijker het proces zal zijn.
Het chipproductieproces is onderverdeeld in zeven belangrijke productiegebieden, namelijk diffusie, fotolithografie, etsen, ionenimplantatie, filmgroei, polijsten en metallisatie. Fotolithografie en etsen zijn de twee kernstappen.
Transistors worden gegraveerd door lithografie en etsen, en lithografie is om de schakelingen en functionele gebieden te maken die nodig zijn voor de productie van chips.
Het licht dat door de fotolithografiemachine wordt uitgestraald, wordt gebruikt om het met fotoresist gecoate vel door een fotomasker met een patroon heen te belichten. De rol van de grafiek.
Dit is de rol van lithografie, vergelijkbaar met het maken van foto's met een camera. De foto die door de camera is gemaakt, wordt op het negatief afgedrukt en de lithografie drukt niet de foto af, maar het schakelschema en andere elektronische componenten.
Etsen is het proces waarbij ongewenst materiaal selectief van het oppervlak van een siliciumwafel wordt verwijderd met behulp van chemische of fysische methoden. In de gebruikelijke waferverwerkingsstroom bevindt het etsproces zich na het fotolithografieproces en zal de van een patroon voorziene fotoresistlaag niet significant worden aangetast door de corrosiebron tijdens het etsen, om de processtap van patroonoverdracht te voltooien. Het etsproces is een belangrijke stap bij het repliceren van maskerpatronen.
afbeelding
Onder hen is het betrokken materiaal fotoresist. We moeten weten dat het circuitontwerp eerst met een laser op het fotomasker wordt geschreven en vervolgens wordt de lichtbron door het masker naar het oppervlak van de siliciumwafel met fotoresist bestraald, waardoor het belichtingsgebied ontstaat. De fotoresist heeft een chemisch effect, en dan het belichte of onbelichte gebied wordt opgelost en verwijderd door technologie te ontwikkelen, zodat het circuitpatroon op het masker wordt overgebracht naar de fotoresist en uiteindelijk wordt het patroon overgebracht naar de siliciumwafel door middel van etstechnologie.
Fotolithografie is verdeeld in twee basisprocessen, positieve fotolithografie en negatieve fotolithografie, volgens het verschil tussen positieve en negatieve fotolithografie. Bij positieve fotolithografie wordt de structuur van het belichte deel van de positieve resist vernietigd en weggespoeld door het oplosmiddel, zodat het patroon op de fotoresist hetzelfde is als het patroon op het masker.
Omgekeerd wordt bij lithografie met negatieve tonen het belichte deel van de negatieve resist hard en wordt het onoplosbaar, en wordt het maskergedeelte weggespoeld door het oplosmiddel, waardoor het patroon op de fotoresist het tegenovergestelde wordt van het patroon op het masker.
We kunnen deze stap eenvoudig uitleggen vanaf een microniveau.
Een kant-en-klare fotoresistplaat wordt op de wafel (of siliciumwafel) bedekt met fotoresist, en vervolgens wordt de wafel gedurende een bepaalde tijd door de fotoresistplaat bestraald met ultraviolette stralen. Het principe is om ultraviolette stralen te gebruiken om een deel van de fotoresist af te breken en het gemakkelijk te laten corroderen.
Oplossen van fotoresist: de fotoresist die tijdens het fotolithografieproces aan ultraviolet licht is blootgesteld, wordt opgelost en het patroon dat na verwijdering overblijft, komt overeen met dat op het masker.
"Etsen" betekent dat na fotolithografie het verslechterde deel van de fotoresist (positieve resist) wordt weggeëtst met een etsoplossing, en het oppervlak van de wafel toont het patroon van de halfgeleiderinrichting en zijn verbinding. Gebruik vervolgens een andere etsoplossing om de wafel te etsen om halfgeleiderapparaten en hun circuits te vormen.
Verwijdering van fotoresist: nadat het etsen is voltooid, wordt de missie van de fotoresist voltooid verklaard en kan het ontworpen circuitpatroon worden gezien na alle verwijdering.
Op deze manier zijn meer dan 10 miljard transistors gemaakt en transistors worden gebruikt in een breed scala aan digitale en analoge functies, waaronder versterking, schakelen, spanningsregeling, signaalmodulatie en oscillatoren.
Meer transistors kunnen de rekenefficiëntie van de processor verhogen; bovendien kan het verkleinen van de grootte ook het stroomverbruik verminderen; tot slot, nadat de chip is verkleind, is het gemakkelijker om hem op een mobiel apparaat aan te sluiten om te voldoen aan de behoeften van toekomstige dunner en lichter worden.
Afbeelding Chip Transistor Dwarsdoorsnede
Na 3nm zijn de huidige transistors niet langer geschikt, en de halfgeleiderindustrie ontwikkelt momenteel nanosheet FET's (GAA FET's) en nanowire FET's (MBCFET's), die worden beschouwd als de weg vooruit voor de huidige finFET's.
Samsung gokt op de GAA gate-around transistortechnologie, die TSMC nog specifieke procesdetails moet vrijgeven. Samsung kondigde voor het eerst de GAA surround gate-transistor aan in 2019. Volgens de officiële verklaring van Samsung vervaardigde Samsung op basis van de nieuwe GAA-transistorstructuur MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET, multi-bridge-channel veldeffecttransistor) met behulp van nanosheet-apparaten. ), wat de prestaties van de transistor aanzienlijk kan verbeteren en de FinFET-transistortechnologie kan vervangen.
afbeelding
Bovendien is MBCFET-technologie ook compatibel met bestaande FinFET-productieprocestechnologie en -apparatuur, waardoor procesontwikkeling en productie worden versneld.
2
