Hoy en día, con la mejora continua del proceso de fabricación de chips, puede haber más de 10 mil millones de transistores en el chip. ¿Cómo se instalan tantos transistores?
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Cuando el chip se amplía continuamente, parece una gran ciudad por dentro.
Esta es una foto SEM de vista de arriba hacia abajo. Puede ver claramente la estructura en capas dentro de la CPU. El ancho de la línea se vuelve más estrecho a medida que desciende, más cerca de la capa del dispositivo.
Esta es una vista transversal de la CPU. Puede ver claramente la estructura de la CPU en capas. El chip está dispuesto en capas. Esta CPU tiene alrededor de 10 capas. La capa más baja es la capa del dispositivo, que es el transistor MOSFET.
Cuando el tubo de Mos se agranda en el chip, se puede ver una estructura tridimensional como un "podio". El transistor no tiene inductancia, resistencia u otros dispositivos que sean propensos a la generación de calor. La capa superior es un electrodo de baja resistencia, que está separado de la plataforma inferior por un aislante. Por lo general, utiliza polisilicio tipo P o tipo N como materia prima para la puerta, y el aislante debajo es dióxido de silicio.
Los dos lados de la plataforma son la fuente y el drenaje al agregar impurezas, y sus posiciones pueden intercambiarse. La distancia entre los dos es el canal, y es esta distancia la que determina las características del chip.
Por supuesto, los transistores en el chip no son solo tubos Mos, sino también transistores tri-gate. Los transistores no se instalan, sino que se graban durante la fabricación del chip.
Al diseñar un chip, el diseñador del chip utilizará las herramientas EDA para planificar el diseño del chip y luego enrutar y enrutar.
Si hacemos zoom en el circuito de puerta diseñado, los puntos blancos son el sustrato y algunos bordes verdes son las capas dopadas.
La fundición de obleas se fabrica de acuerdo con el diseño físico diseñado por el diseñador del chip.
Hay dos tendencias en la fabricación de chips. Una es que las obleas son cada vez más grandes, por lo que se pueden cortar más chips para ahorrar eficiencia. El otro es el proceso de fabricación de chips. El concepto del proceso de fabricación es en realidad el tamaño de la puerta, que también se puede llamar En la estructura del transistor, la corriente fluye desde la fuente hasta el drenaje, y la puerta (Gate) es equivalente a una puerta, que es principalmente responsable de controlando el encendido-apagado de la fuente y drenaje en ambos extremos.
La corriente se perderá, y el ancho de la puerta determina la pérdida cuando pasa la corriente, lo que se manifiesta en la generación de calor común y el consumo de energía de los teléfonos móviles. Cuanto más estrecho sea el ancho, menor será el consumo de energía. El ancho mínimo (longitud de la puerta) de la puerta es el proceso de fabricación.
El propósito de encoger el proceso nanométrico es empaquetar más transistores en un chip más pequeño, para que el chip no se haga más grande debido a la mejora tecnológica.
Pero si hacemos la puerta más pequeña, cuanto más rápido fluya la corriente entre la fuente y el drenaje, más difícil será el proceso.
El proceso de fabricación de chips se divide en siete áreas principales de producción, que son difusión, fotolitografía, grabado, implantación de iones, crecimiento de película, pulido y metalización. La fotolitografía y el grabado son los dos pasos principales.
Los transistores se graban mediante litografía y aguafuerte, y la litografía es para hacer los circuitos y áreas funcionales requeridas para la producción de chips.
La luz emitida por la máquina de fotolitografía se utiliza para exponer la lámina recubierta con fotorresistencia a través de una fotomáscara con un patrón. El papel de la gráfica.
Este es el papel de la litografía, similar a tomar fotografías con una cámara. La foto tomada por la cámara se imprime en el negativo, y la litografía no imprime la foto, sino el diagrama del circuito y otros componentes electrónicos.
El grabado es el proceso de eliminación selectiva de material no deseado de la superficie de una oblea de silicio mediante métodos químicos o físicos. En el flujo habitual de procesamiento de obleas, el proceso de grabado se ubica después del proceso de fotolitografía, y la capa fotorresistente estampada no se erosionará significativamente por la fuente de corrosión durante el grabado, para completar el paso del proceso de transferencia del patrón. El proceso de grabado es un paso clave en la replicación de patrones de máscara.
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Entre ellos, el material involucrado es fotoprotector. Necesitamos saber que el diseño del circuito se escribe primero en la fotomáscara con láser, y luego la fuente de luz se irradia a través de la máscara a la superficie de la oblea de silicio con fotoprotector, causando el área de exposición. El fotorresistor tiene un efecto químico y luego el área expuesta o no expuesta se disuelve y elimina mediante tecnología de desarrollo, de modo que el patrón del circuito en la máscara se transfiere a la fotoprotección y, finalmente, el patrón se transfiere a la oblea de silicio mediante tecnología de grabado.
La fotolitografía se divide en dos procesos básicos, fotolitografía positiva y fotolitografía negativa, según la diferencia entre fotolitografía positiva y negativa. En la fotolitografía positiva, la estructura de la parte expuesta del protector positivo es destruida y arrastrada por el solvente, de modo que el patrón del fotorresistente es el mismo que el patrón de la máscara.
Por el contrario, en la litografía de tono negativo, la parte expuesta del protector negativo se endurece y se vuelve insoluble, y el solvente elimina la parte de la máscara, lo que hace que el patrón en el fotorresistente sea el opuesto al patrón en la máscara.
Simplemente podemos explicar este paso desde un nivel micro.
Una placa fotorresistente prefabricada se cubre en la oblea (u oblea de silicio) recubierta con fotorresistencia, y luego la oblea se irradia con rayos ultravioleta durante un cierto período de tiempo a través de la placa fotorresistente. El principio es usar rayos ultravioleta para degradar parte de la fotoprotección y hacerla fácil de corroer.
Disolución de la fotoprotección: la fotoprotección expuesta a la luz ultravioleta en el proceso de fotolitografía se disuelve y el patrón que queda después de la eliminación es consistente con el de la máscara.
"Grabado" significa que después de la fotolitografía, la parte deteriorada de la fotorresistencia (resistencia positiva) se elimina con una solución de grabado, y la superficie de la oblea muestra el patrón del dispositivo semiconductor y su conexión. Luego use otra solución de grabado para grabar la oblea para formar dispositivos semiconductores y sus circuitos.
Eliminación de la fotoprotección: una vez que se completa el grabado, la misión de la fotoprotección se declara completa y el patrón de circuito diseñado se puede ver después de la eliminación.
Se han tallado más de 10 mil millones de transistores de esta manera, y los transistores se utilizan en una amplia variedad de funciones digitales y analógicas, que incluyen amplificación, conmutación, regulación de voltaje, modulación de señal y osciladores.
Más transistores pueden aumentar la eficiencia informática del procesador; además, reducir el tamaño también puede reducir el consumo de energía; finalmente, una vez que se reduce el tamaño del chip, es más fácil conectarlo a un dispositivo móvil para satisfacer las necesidades de adelgazamiento y aclarado futuros.
Corte transversal del transistor del chip de imagen
Después de 3nm, los transistores actuales ya no son adecuados, y la industria de los semiconductores actualmente está desarrollando FET de nanoláminas (GAA FET) y FET de nanocables (MBCFET), que se consideran el camino a seguir para los finFET actuales.
Samsung está apostando por la tecnología de transistor de compuerta GAA, que TSMC aún no ha publicado detalles específicos del proceso. Samsung anunció por primera vez el transistor de compuerta envolvente GAA en 2019. Según la declaración oficial de Samsung, basada en la nueva estructura del transistor GAA, Samsung fabricó MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET, transistor de efecto de campo de múltiples puentes) mediante el uso de dispositivos de nanoláminas. ), que puede mejorar significativamente el rendimiento del transistor y reemplazar la tecnología de transistores FinFET.
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Además, la tecnología MBCFET también es compatible con la tecnología y el equipo del proceso de fabricación FinFET existente, lo que acelera el desarrollo y la producción del proceso.
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