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芯片有几十亿个晶体管,连接晶体管之间的导线是什么材料做成的?

2020-07-26 19:23阅读(67)

芯片有几十亿个晶体管,连接晶体管之间的导线是什么材料做成的?:因为“在美读博先生”对本问题的回答是完全错误的,他把芯片中晶体管的连接方法当成印制电路板

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因为“在美读博先生”对本问题的回答是完全错误的,他把芯片中晶体管的连接方法当成印制电路板中的连接方法来回答了。为了使网友们不被误导,我来回答一下这个问题。

芯片中几十亿个晶体管间的连接线以及与其它元器件的连接线,如体电阻器的连接线、结电容器连接线、外引出线的焊接区,都是同时制作成功的。所使用的导体材料是金。

这些连接线的制作方法是,

①通过光刻和腐蚀(腐蚀液通常是能够腐蚀二氧化硅或氮化硅的氢氟酸)的方法,将整个表面都钝化了的芯片上各条连接线的两端头开出窗口。

②用等离子溅射镀膜法,在开了窗口的整个芯片表面,镀制一层1微米厚左右的铜膜。这个铜薄膜并不是作为连接线使用的,而是为制作连接线“作嫁衣裳”的,请继续往下看。

③用光刻腐蚀的方法,在完整铜膜上的将来用于制作连接线和焊接区的位置开出窗口。这种开出窗口的铜薄膜,类似于在文化衫等处印刷图案或文字的掩模;但又与那类掩模不同。因为那类掩模是可以多次放上取下,重复使用的;而这次制作的铜掩模却是固定的,一次性的使用。因此,这类掩模被称为“死掩模”。这次用于腐蚀铜薄膜的腐蚀液是,与前面工艺过程①中腐蚀钝化层的腐蚀液不同的,它一般用的是能够腐蚀铜的三氯化铁溶液。

④在铜质死掩模上面,用真空蒸发镀膜法镀制作为导体使用的1微米厚左右的金膜。

⑤重复使用前面工艺过程③中所使用过的腐蚀方法(这次就不用光刻了),去掉铜质死掩模(也将存在于死掩模表面的的金薄膜也一起被去掉),剩余的金薄膜就是芯片所需要的晶体管间以及与其它元器件之间的连接线和外引出线的焊接区了。

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芯片制造非常复杂。几十亿个晶体管也不是我们想象的人为放进去的,而是直接在晶圆上通过光刻、蚀刻化学反应生成的晶体管(各种PN结)。同样,连接晶体管的导线也不是像布线一样布进去的。是通过离子注入和电镀完成的,这个材料是我们最常见的铜。要理解导线如何生成,得先了解一下芯片晶体管的生成。

1、芯片中几十亿晶体管的生成



我们都知道,现在的芯片都是纳米级别的。一个芯片上有数十亿的晶体管。很多人会觉得晶体管是电子市场买的一个电阻一样,是一个小器件。其实,这样理解就很难想象芯片如何生成几十亿个晶体管。要想理解这个晶体管,你需要将晶体管理解成PN节半导体所谓的PN节半导体,就是在硅晶体上渗入少量的杂质,比如硼元素、磷元素之类的,让原本中性的贵晶体变成了电子开关。也就是因为杂质元素和硅共用价电子,导致多出来1个自由电子或者多了1个空穴(少了1个电子)。

有了对PN节半导体的了解,芯片上几十亿晶体管怎么生成就很容易理解了。主要分为以下几个步骤:

  • 光刻,是通过光刻机,将设计师事先设计的电路图,完整得显影到晶圆上。
  • 蚀刻,通过蚀刻按照事先设计的电路图,溶解掉不需要的部分,露出需要进行改造的部分晶体硅
  • 离子注入:这个就是在晶体硅中渗入杂质,在蚀刻完成后的晶圆上,按照电路图对规定区域进行离子注入,使得在电路图中晶体管部分形成大大小小数十亿个PN节,也就是晶体管。



所以,芯片中的晶体管是通过这样的步骤直接在晶圆上生成的。并不是外部晶体管放进去的。

2、芯片中的导线生成



通过前面了解到芯片中晶体管的生成了。我们再来理解导线的生成就更好理解了。我们的导线其实不是放置一条导线进去的,而是通过注入铜来完成的。

  • 离子注入:在离子注入阶段,我们需要用光刻胶来保护不需要被注入的区域,也包括我们这个导线生成的区域。也就是或,离子注入后,我们的导线区域其实就是一个微小的凹槽。当然,由于我们芯片是很多层的,在这一层上还需要涂上绝缘层。并在绝缘层上预留几个洞
  • 电镀铜:离子注入完成后,预留的几个洞这个时候起作用了,我们就通过这个洞,电镀一层硫酸铜上去,铜离子会通过这个洞从晶体管的正极流向负极,最后在晶圆上导线部分沉淀出一个铜层。这就是题主要的连接晶体管的导线
  • 抛光:前面电镀的时候,铜也会蔓延到绝缘层上面,这是芯片不需要的。所以,我们通过抛光手续,将多余的铜层刮掉



通过这样的方式,我们芯片中的导线就生成完成了。多层芯片需要重复每一层的所有动作,以完成每一层的电路制作。

总结

综上所述,我们的芯片中数十亿的晶体管是直接化学生成的,连接晶体管的导线也是通过离子注入、电镀、抛光来完成的。而最后现成的材料是铜

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金属铜或其它(取决于用途),使用过孔或盲孔的形式层层相连,再由介电材料填隙。

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这么小的几纳米的线…世上只有黄金能实现,所以连接线是金丝