芯片工作及制造原理

发布时间:2023年12月27日来源：科学观世界作者：科学观世界浏览量：269

从沙子到单晶硅再到晶圆

沙子的组成

沙子是我们生活中非常常见的一种物质，它的主要组成成分是石英，也就是二氧化硅（SiO2）,沙子中二氧化硅含量高，因此，对于半导体产业来说，沙子是再合适不过的原料了。制作半导体材料所需要的原料是单晶硅，因此，需要先将沙子中的氧去除，从而得到单质硅。

沙子

沙子中提取硅单质，得到多晶硅

要将沙子中的二氧化硅变为单质硅，需要将沙子中的二氧化硅进行还原。一般是在电弧炉中，将石英含量较高的沙子和焦炭按适当的比例加入，在2000℃的高温中反应并生成硅单质。

电弧炉

二氧化硅还原

然而，通过上面反应之后得到的硅杂质含量很高，硅的纯度一般只有95%~99%，这种硅称为冶金级硅。只有极少数的高纯度冶金级硅(纯度≥98%)才能用于进一步提纯为高纯度的电子级多晶硅，而这些能达到要求的仅占冶金级硅的1%。

超大规模集成电路的硅材料，纯度需要达到10~11个9，也就是平均几百亿个原子中仅含有一个杂质原子，这个纯度是非常高的，因此，需要将上面得到的硅进一步提纯。

一般先将粗硅与氯化氢（HCl）气体在高温下反应，生成三氯化氢硅（SiHCl3），同时也会生成SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl、AlCl3、FeCl3等物质，再利用这些物质沸点的不同在蒸馏塔中控制温度进行多次精馏分离。

得到的高纯SiHCl3再与H2通入还原炉中，利用高纯硅细棒作为发热体，加热到1100℃左右，SiHCl3会与H2在炉内反应，生成Si和HCl，新生成的硅会沉淀在硅棒上，使硅棒逐渐变粗，得到高纯度的硅单质。

粗硅进一步提纯工艺

从非晶硅到单晶硅棒

制备芯片所需要的硅必须是要单晶硅，所谓的单晶，就是物质内部的原子排列整齐有序的，而上述得到的反应得到的单质硅内部结构并非有序结构，一般为非晶结构或多晶结构，非晶即为原子排列完全没有规则，杂乱无章，而多晶则为部分结构有序，而长程无序，微观的区域内为晶体结构，很多的晶体结构之间存在着晶界。因此需要进一步重新熔化结晶得到单晶硅。

单晶硅结构和非晶硅结构

目前制备单晶硅一般使用直拉法，将熔融的单质硅控制到熔点温度，在熔点温度下用一块小的单晶硅（晶籽）引出，液态的硅会在晶籽的表面一层一层逐渐生长，形成单晶结构。

熔融的硅原子不断地在晶棒下端有序生长

在生长的过程中，单晶硅棒需要不停的旋转，而下面的坩埚反方向旋转，单晶硅棒一边旋转一边缓慢提起。之所以要旋转是因为熔体内溶液温度存在温差会形成自然对流，并且晶体在提升的过程中也会引起对流，因此，旋转的过程可以使温度更为均匀，并且也利于杂质的均匀分布。

在实际操作的过程中，转动速率需要通过对热流以及熔体性质进行分析并准确的计算，这样拉出来的单晶棒才能生长均匀，结构完整。

从单晶硅棒到单晶硅片

拉出来的单晶硅棒制成之后，需要进行切片，切割的过程一般使用钢线切割，钢线的长度一般为数百千米，并且切割速度达到600~800m/min，钢线的表面一般镀有碳化硅颗粒，这类物质硬度极大，切割速度也非常快。

线切割原理

切割之后一个硅锭就可以得到很多的单晶硅片，这就是我们常听的晶圆。由于切割过程中表面并不平整，因此，还需要进行清洗，抛光等过程。

芯片的制作过程极其复杂，上面这一系列过程只是处于上游的制作过程，芯片的制作可以说在这里才真正开始。

芯片实际上是由几十亿个晶体管组成，制作芯片，就是相当于要在晶圆上刻蚀出无数微小的晶体管，并将它们通过极其细小的电路连接起来。在了解芯片的工作原理以及制备工艺之前，我们先要了解什么是晶体管以及它有什么作用。

晶体管及芯片工作原理

常用的晶体管一般为二极管和三极管，晶体管中最重要的部分就是P-N结，P-N结有一个特殊的性质，那就是单向导电性。

P-N结

P-N结就是将一块P型半导体于N型半导体相接触，那么，在它们相接触的地方就形成了一个P-N结。

P型半导体

P型半导体指掺入少量硼（B）原子的硅晶体，硅元素处于第四周期元素，原子核最外层具有四个电子，而硅在该电子层电子数为8个的时候会形成稳定结构，因此单晶体中一个硅原子会与四个硅原子形成四对共价键，下面就是单晶硅的电子结构。

而硼原子最外层只有三个电子，因此，硼原子在与硅原子形成共价键时，会形成7个电子的结构，相比硅单质少了一个电子，相当于空了一个位置，我们把这个空的位置称为“空穴”。

“空穴”可以在这个结构中随意流动，因此，这类半导体就具有了导电性。

N型半导体

N型半导体指掺入少量磷（P）原子的硅晶体，磷原子最外层有5个电子，因此在与四个硅原子形成共价键时，就会多出一个电子，这个电子也是可以自由移动的。

P型和N型半导体结合形成P-N结，由于N型半导体存在多余电子，电子浓度较大，而P型半导体中存在很多电子空位，于是N型半导体中的电子会自发流向P型半导体。由于扩散作用导致电荷不平衡，于是会形成内建电场。

当外加一个电压形成的电场与内建电场相反时，便可以抵消内电场，同时可以在负极注入更多的电子，这个时候便形成了通路。当加入一个反向电压时，外电场方向与内电场方向相同，电场加强，电子便无法通过，这就是P-N结单向导电的本质原因。

上面这个是一个P-N结形成的二极管，当多个N型半导体与P型半导体相结合时，就能够形成三极管，三极管相当于是一个继电器，利用小电流控制大电流。

我们以一个NPN三极管为例，进行分析

一个三极管会存在两个P-N结，方向相反，每种类型的半导体都会有一个引脚，当我们在集电极与发射极两端接上电压时，无论电压是哪个方向，总会有一个PN结所形成的内电场与外电源的电场相同，因此ec两端始终无法形成通路。那么如果在be端另外加上一个电压就不一样了。另外加上的这个电压可以抵消一个P-N结的作用，电子可以顺利的从下面的N极流入P极，由于中间的P极非常窄，流入的多余电子会被c处的电极所吸引，于是ec之间形成了通路。ec之间的电流会比be之间的电流大几百倍，这就形成了一个电流放大的作用。

三极管电路图

三极管电流的放大作用演示

mos管

晶体管中还有一种mos管，它的作用和三极管非常类似，三极管是通过小电流来控制大电流，而mos管不是通过电流来控制，而是通过电压。

我们以上图左边的N沟道场效应管类型为例进行分析，当在栅极加入一个正电压时，两端源极与漏极（N区）中的电子会被吸引到中间的P区，由于栅极与P区之间存在一层氧化物薄膜，电子无法通过，于是电子会聚集在P区，但是无法流入栅极，这个时候在源极与漏极之间加入电压的话就会形成一个通路，于是会有电流流过。

这就是晶体管的工作原理

通过上面的介绍，我们知道了晶体管的原理，如果用一句简单的话来总结晶体管的话，那么这些晶体管的作用就相当于是一个开关，当中间电极提供电流或者电压时，两端则会形成通路，相当于用手按下了开关，而没有电流或者电压时，则电流无法通过，相当于断开了开关。了解了这个原理，那么，晶体管在CPU中是如何发挥作用的呢？

CPU中晶体管的作用

CPU可以说是一个计算机的大脑，它通过快速的运算来为我们服务。在计算的过程，全靠这些晶体管。我们知道，计算机存储数据的原理是利用0和1来进行储存，计算机之所以使用二进制，是因为对于电子机器来说，一切事物无非只存在两种状态：有或者没有。这个有或者没有对应着电路的断路或者通路。前面讲过晶体管就相当于开关，将这些开关通过不同的组合就能够得到各种门电路，输入不同的数据0、1就对应着这些开关的断开、闭合，通过门电路，我们就知道输出端是否有电流，这个输出端是否有电流对应着输出0或者1，通过这些大量的开关进行各种组合，我们就可以得到一个超强计算能力的处理器，实上CPU计算的过程，就是这些开关不断闭合、断开的过程。而单个晶体管开关的速度可以达到每秒1000万次以上，因此晶体管数量越多，开关速度越快，CPU的运算速度就越快。

逻辑电路

当然这只是简要的描述了CPU的部分功能，CPU其实不仅仅有计算功能，同时还拥有其它的模块，这里就不详细介绍，我们知道其中的主要原理就可以了。

从晶圆到芯片

知道了CPU中晶体管的作用，那么我们就能明白芯片为什么要进行下面这些制作工艺了。CPU中的主要部件就是上面所提到的这些晶体管的组合（主要是mos管），以目前的工艺技术，在一块拇指大的单晶硅片上就能制成几十亿个晶体管，并且将所有的晶体管连接起来，组成集成电路，因此工艺非常复杂。

下面就是关于在晶圆上制作出晶体管的工艺流程。

光刻蚀

光刻蚀的目的就是将设计好的电路“雕刻”在硅片上，晶圆在光刻蚀之前，会对晶圆进行热处理，使表面形成一层氧化层（SiO2），然后再涂上一层薄薄的光刻胶，光刻胶有一个特殊的性质，就是被紫外线照射之后，会从不溶于水变为可溶于水。首先工程师会将电路设计成一个模板，再利用紫外线照射照射模板，通过模板的紫外线光汇集在特定的位置，照射的区域就是电路的轨迹，再用水进行清洗，被照射部分的光刻胶就被清理掉了。