כיום, עם השיפור המתמיד של תהליך ייצור השבבים, יכולים להיות יותר מ-10 מיליארד טרנזיסטורים בשבב. איך מותקנים כל כך הרבה טרנזיסטורים?
1
כאשר השבב מוגדל ללא הרף, הוא נראה כמו עיר ענקית בפנים.
זוהי תמונת SEM של תצוגה מלמעלה למטה. אתה יכול לראות בבירור את המבנה השכבתי בתוך המעבד. רוחב הקו הופך צר יותר ככל שיורדים, קרוב יותר לשכבת המכשיר.
זוהי תצוגת חתך של המעבד. אתה יכול לראות בבירור את מבנה המעבד השכבתי. השבב מסודר בשכבות. למעבד הזה יש בערך 10 שכבות. השכבה הנמוכה ביותר היא שכבת ההתקן, שהיא טרנזיסטור MOSFET.
כאשר צינור ה-Mos מוגדל בשבב, ניתן לראות מבנה תלת מימדי כמו "פודיום". לטרנזיסטור אין השראות, התנגדות או התקנים אחרים המועדים לייצור חום. השכבה העליונה היא אלקטרודה בעלת התנגדות נמוכה, המופרדת מהפלטפורמה שמתחתיה על ידי מבודד. בדרך כלל הוא משתמש בפוליסיליקון מסוג P או מסוג N כחומר הגלם לשער, והמבודד למטה הוא דו תחמוצת הסיליקון.
שני הצדדים של הבמה הם המקור והניקוז על ידי הוספת זיהומים, וניתן להחליף את מיקומם. המרחק בין השניים הוא הערוץ, והמרחק הזה הוא שקובע את מאפייני השבב.
כמובן שהטרנזיסטורים בשבב הם לא רק צינורות Mos, אלא גם טרנזיסטורים תלת-שערים. הטרנזיסטורים אינם מותקנים, אלא חרוטים במהלך ייצור השבבים.
בעת תכנון שבב, מעצב השבב ישתמש בכלי EDA כדי לתכנן את פריסת השבב, ולאחר מכן נתיב ותוואי.
אם נקרב על מעגל השער המעוצב, הנקודות הלבנות הן המצע, וכמה גבולות ירוקים הם השכבות המסוימות.
יציקת הפרוסים מיוצרת לפי הפריסה הפיזית שתוכננה על ידי מעצב השבבים.
קיימות שתי מגמות בייצור שבבים. האחת היא שהוופלים הולכים וגדלים, כך שניתן לחתוך יותר שבבים כדי לחסוך ביעילות. השני הוא תהליך ייצור השבבים. מושג תהליך הייצור הוא למעשה גודל השער, שניתן לקרוא לו גם במבנה הטרנזיסטור, הזרם זורם מהמקור ל-Drain, והשער (Gate) שווה ערך לשער, שאחראי בעיקר על שליטה בהפעלה וכיבוי של המקור והניקוז בשני הקצוות.
הזרם יאבד, ורוחב השער קובע את האובדן כאשר הזרם עובר, המתבטא בייצור חום וצריכת חשמל נפוצה של טלפונים ניידים. ככל שהרוחב צר יותר, כך צריכת החשמל נמוכה יותר. הרוחב המינימלי (אורך השער) של השער הוא תהליך הייצור.
המטרה של כיווץ תהליך הננומטר היא לארוז יותר טרנזיסטורים לשבב קטן יותר, כך שהשבב לא יהפוך גדול יותר בגלל שיפור טכנולוגי.
אבל אם נעשה את השער קטן יותר, ככל שהזרם יזרום מהר יותר בין המקור לניקוז, התהליך יהיה קשה יותר.
תהליך ייצור השבבים מחולק לשבעה אזורי ייצור עיקריים, שהם דיפוזיה, פוטוליתוגרפיה, תחריט, השתלת יונים, צמיחת סרט, ליטוש ומתכת. פוטוליתוגרפיה ותחריט הם שני שלבי הליבה.
טרנזיסטורים נחרטים על ידי ליטוגרפיה ותחריט, והליתוגרפיה נועדה ליצור את המעגלים והאזורים הפונקציונליים הנדרשים לייצור שבבים.
האור הנפלט על ידי מכונת הפוטוליתוגרפיה משמש לחשיפת הסדין המצופה בפוטו-רזיסט דרך פוטומסכת עם דוגמה. תפקידו של הגרף.
זהו תפקידה של הליטוגרפיה, בדומה לצילום תמונות במצלמה. התמונה שצולמה במצלמה מודפסת על הנגטיב, והליטוגרפיה אינה מדפיסה את התמונה, אלא את דיאגרמת המעגל ושאר רכיבים אלקטרוניים.
תחריט הוא תהליך של הסרה סלקטיבית של חומר לא רצוי מפני השטח של רקיקת סיליקון באמצעות שיטות כימיות או פיזיקליות. בזרימת העיבוד הרגילה של פרוסות, תהליך התחריט ממוקם לאחר תהליך הפוטוליתוגרפיה, ושכבת הפוטו-רזיסט המעוצבת לא תישחק משמעותית על ידי מקור הקורוזיה במהלך התחריט, כדי להשלים את שלב התהליך של העברת הדפוס. תהליך התחריט הוא שלב מפתח בשכפול דפוסי מסכה.
תְמוּנָה
ביניהם, החומר המעורב הוא photoresist. אנחנו צריכים לדעת שעיצוב המעגל נכתב תחילה על הפוטומסק על ידי לייזר, ואז מקור האור מוקרן דרך המסכה אל פני השטח של פרוסת הסיליקון עם photoresist, מה שגורם לאזור החשיפה לפוטורסיסט יש אפקט כימי, ואז האזור החשוף או הלא חשוף מומס ומוסר על ידי פיתוח טכנולוגיה, כך שתבנית המעגלים על המסכה מועברת ל-photoresist, ולבסוף התבנית מועברת לפרוסת הסיליקון בטכנולוגיית תחריט.
פוטוליתוגרפיה מחולקת לשני תהליכים בסיסיים, פוטוליתוגרפיה חיובית ופוטוליתוגרפיה שלילית, לפי ההבדל בין פוטוליתוגרפיה חיובית לשלילית. בפוטוליתוגרפיה חיובית, המבנה של החלק החשוף של הרזיסט החיובי נהרס ונשטף על ידי הממס, כך שהתבנית על הפוטורסיסט זהה לתבנית שעל המסכה.
לעומת זאת, בליטוגרפיה בגוון שלילי, החלק החשוף של הרזיסט השלילי מתקשה והופך לבלתי מסיס, וחלק המסכה נשטף על ידי הממס, מה שהופך את התבנית על הפוטו-רזיסט להיפך מהתבנית שעל המסכה.
אנחנו יכולים פשוט להסביר את השלב הזה מרמת המיקרו.
צלחת פוטו-רזיסט מוכנה מראש מכוסה על הפרוסה (או רקיקת הסיליקון) המצופה ב-photoresist, ולאחר מכן מקרינים את הפרוסה בקרניים אולטרה-סגולות למשך פרק זמן מסוים דרך לוחית הפוטו-רזיסט. העיקרון הוא להשתמש בקרניים אולטרה סגולות כדי לבזות חלק מהפוטו-רזיסט ולהקל על השחתה.
פוטו-רזיסט מתמוסס: הפוטו-רזיסט שנחשף לאור אולטרה-סגול בתהליך הפוטוליתוגרפיה מומס, והתבנית שנותרה לאחר ההסרה תואמת את זו שעל המסכה.
"תחריט" פירושו שלאחר פוטוליתוגרפיה, החלק הפגוע של הפוטו-רזיסט (הרזיסט החיובי) נחרט עם תמיסת תחריט, ועל פני השטח של הפרוסה ניתן לראות את התבנית של התקן המוליך למחצה והחיבור שלו. לאחר מכן השתמש בפתרון תחריט אחר כדי לחרוט את הפרוסה ליצירת התקני מוליכים למחצה והמעגלים שלהם.
הסרת הפוטו-רזיסט: לאחר השלמת התחריט, משימת הפוטורסיסט מוכרזת כמושלמה, וניתן לראות את תבנית המעגל המעוצבת לאחר כל ההסרה.
יותר מ-10 מיליארד טרנזיסטורים נחצבו בצורה זו, וטרנזיסטורים משמשים במגוון רחב של פונקציות דיגיטליות ואנלוגיות, כולל הגברה, מיתוג, ויסות מתח, אפנון אותות ומתנדים.
טרנזיסטורים נוספים יכולים להגביר את יעילות המחשוב של המעבד; יתר על כן, הקטנת הגודל יכולה גם להפחית את צריכת החשמל; לבסוף, לאחר שהשבב מצטמצם, קל יותר לחבר אותו למכשיר נייד כדי לענות על הצרכים של דילול והבהרה עתידיים.
חתך רוחב טרנזיסטור שבב תמונה
לאחר 3nm, הטרנזיסטורים הנוכחיים אינם מתאימים יותר, ותעשיית המוליכים למחצה מפתחת כיום FETs של ננו-סheet (GAA FET) וננו-חוטי FET (MBCFET), הנחשבים לדרך קדימה עבור ה-finFET של ימינו.
סמסונג מהמרת על טכנולוגיית הטרנזיסטור GAA gate-around, ש-TSMC טרם פרסמה פרטי תהליך ספציפיים. סמסונג הכריזה לראשונה על טרנזיסטור השער ההיקפי GAA בשנת 2019. על פי ההצהרה הרשמית של סמסונג, בהתבסס על מבנה הטרנזיסטור החדש של GAA, סמסונג ייצרה MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET, טרנזיסטור אפקט שדה רב-גשרים-ערוצי) על ידי שימוש במכשירי ננו-סheet. ), שיכול לשפר משמעותית את ביצועי הטרנזיסטור ולהחליף את טכנולוגיית הטרנזיסטור FinFET.
תְמוּנָה
בנוסף, טכנולוגיית MBCFET תואמת גם לטכנולוגיית תהליכי הייצור והציוד הקיימים של FinFET, ובכך מאיץ את פיתוח וייצור התהליך.
2
