ปัจจุบันด้วยการพัฒนากระบวนการผลิตชิปอย่างต่อเนื่องทำให้มีทรานซิสเตอร์มากกว่า 10 พันล้านตัวในชิป ติดตั้งทรานซิสเตอร์จำนวนมากได้อย่างไร?
1
เมื่อชิปถูกขยายอย่างต่อเนื่อง มันดูเหมือนเมืองขนาดใหญ่ที่อยู่ภายใน
นี่คือภาพถ่าย SEM มุมมองจากบนลงล่าง คุณสามารถเห็นโครงสร้างเลเยอร์ภายใน CPU ได้อย่างชัดเจน ความกว้างของเส้นจะแคบลงเมื่อคุณลงไปใกล้ชั้นอุปกรณ์มากขึ้น
นี่คือมุมมองแบบภาคตัดขวางของ CPU คุณสามารถเห็นโครงสร้าง CPU แบบเลเยอร์ได้อย่างชัดเจน ชิปถูกจัดเรียงเป็นชั้น CPU นี้มีประมาณ 10 ชั้น ชั้นล่างสุดเป็นชั้นอุปกรณ์ซึ่งก็คือทรานซิสเตอร์มอสเฟต
เมื่อขยายท่อ Mos ในชิป จะเห็นโครงสร้างสามมิติ เช่น "โพเดียม" ทรานซิสเตอร์ไม่มีตัวเหนี่ยวนำ ความต้านทาน หรืออุปกรณ์อื่นๆ ที่มีแนวโน้มที่จะเกิดความร้อน ชั้นบนสุดเป็นอิเล็กโทรดความต้านทานต่ำ ซึ่งแยกออกจากแท่นด้านล่างด้วยฉนวน โดยทั่วไปจะใช้โพลีซิลิคอนชนิด P หรือ N เป็นวัตถุดิบสำหรับประตู และฉนวนด้านล่างเป็นซิลิกอนไดออกไซด์
ทั้งสองด้านของแท่นคือแหล่งที่มาและท่อระบายน้ำโดยการเพิ่มสิ่งเจือปน และตำแหน่งของพวกเขาสามารถแลกเปลี่ยนได้ ระยะห่างระหว่างทั้งสองคือช่องสัญญาณและระยะทางที่กำหนดคุณลักษณะของชิปคือระยะทางนี้
แน่นอนว่าทรานซิสเตอร์ในชิปไม่ได้มีแค่หลอด Mos เท่านั้น แต่ยังรวมถึงทรานซิสเตอร์แบบไตรเกตด้วย ไม่ได้ติดตั้งทรานซิสเตอร์ แต่ถูกสลักไว้ระหว่างการผลิตชิป
เมื่อออกแบบชิป ผู้ออกแบบชิปจะใช้เครื่องมือ EDA เพื่อวางแผนเลย์เอาต์ของชิป จากนั้นกำหนดเส้นทางและกำหนดเส้นทาง
หากเราขยายวงจรเกทที่ออกแบบไว้ จุดสีขาวคือพื้นผิว และขอบสีเขียวบางส่วนคือชั้นเจือ
โรงหล่อแผ่นเวเฟอร์ผลิตขึ้นตามรูปแบบทางกายภาพที่ออกแบบโดยผู้ออกแบบชิป
มีสองแนวโน้มในการผลิตชิป หนึ่งคือเวเฟอร์มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ เพื่อให้สามารถตัดเศษออกได้มากขึ้นเพื่อประหยัดประสิทธิภาพ อีกประการหนึ่งคือกระบวนการผลิตชิป แนวคิดของกระบวนการผลิตคือขนาดของเกทซึ่งสามารถเรียกอีกอย่างว่าในโครงสร้างทรานซิสเตอร์กระแสไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังท่อระบายน้ำและเกท (Gate) เทียบเท่ากับเกทซึ่งมีหน้าที่หลักในการ ควบคุมการเปิด-ปิดแหล่งจ่ายและเดรนที่ปลายทั้งสองด้าน
กระแสจะหายไปและความกว้างของเกทจะเป็นตัวกำหนดการสูญเสียเมื่อกระแสผ่านไป ซึ่งแสดงออกมาในการสร้างความร้อนทั่วไปและการใช้พลังงานของโทรศัพท์มือถือ ยิ่งความกว้างแคบลงเท่าใดก็ยิ่งใช้พลังงานน้อยลงเท่านั้น ความกว้างขั้นต่ำ (ความยาวเกท) ของเกทคือกระบวนการผลิต
จุดประสงค์ของการย่อขนาดกระบวนการนาโนเมตรคือเพื่อบรรจุทรานซิสเตอร์จำนวนมากขึ้นลงในชิปขนาดเล็กลง เพื่อไม่ให้ชิปมีขนาดใหญ่ขึ้นเนื่องจากการปรับปรุงเทคโนโลยี
แต่ถ้าเราทำให้เกทเล็กลง กระแสจะไหลระหว่างแหล่งกำเนิดและเดรนเร็วขึ้น กระบวนการก็จะยากขึ้น
กระบวนการผลิตชิปแบ่งออกเป็นเจ็ดส่วนการผลิตหลัก ซึ่งได้แก่ การแพร่กระจาย, การถ่ายภาพด้วยแสง, การกัด, การฝังไอออน, การเจริญเติบโตของฟิล์ม, การขัดเงา และการเคลือบโลหะ การถ่ายภาพด้วยแสงและการแกะสลักเป็นสองขั้นตอนหลัก
ทรานซิสเตอร์ถูกแกะสลักด้วยการพิมพ์หินและการแกะสลัก และการพิมพ์หินคือการสร้างวงจรและพื้นที่การทำงานที่จำเป็นสำหรับการผลิตชิป
แสงที่ปล่อยออกมาจากเครื่องโฟโตลิโธกราฟีใช้เพื่อเปิดเผยแผ่นที่เคลือบด้วยโฟโตเรสซิสต์ผ่านหน้ากากโฟโต้ที่มีลวดลาย บทบาทของกราฟ
นี่คือบทบาทของการพิมพ์หิน คล้ายกับการถ่ายภาพด้วยกล้อง ภาพที่ถ่ายด้วยกล้องจะพิมพ์ออกมาบนเนกาทีฟ และการพิมพ์หินจะไม่พิมพ์ภาพถ่าย แต่จะพิมพ์แผนภาพวงจรและชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ
การแกะสลักเป็นกระบวนการคัดเลือกวัสดุที่ไม่ต้องการออกจากพื้นผิวของเวเฟอร์ซิลิคอนโดยใช้วิธีการทางเคมีหรือทางกายภาพ ในขั้นตอนการประมวลผลแผ่นเวเฟอร์ตามปกติ กระบวนการแกะสลักจะอยู่หลังกระบวนการโฟโตลิโทกราฟี และชั้นโฟโตเรสซิสต์ที่มีลวดลายจะไม่ถูกกัดเซาะอย่างมีนัยสำคัญจากแหล่งการกัดกร่อนในระหว่างการกัด เพื่อให้ขั้นตอนกระบวนการถ่ายโอนรูปแบบเสร็จสมบูรณ์ กระบวนการแกะสลักเป็นขั้นตอนสำคัญในการจำลองรูปแบบมาสก์
รูปภาพ
ในหมู่พวกเขา วัสดุที่เกี่ยวข้องคือช่างภาพ เราจำเป็นต้องรู้ว่าการออกแบบวงจรนั้นเขียนบนโฟโต้มาสก์ด้วยเลเซอร์ก่อน จากนั้นแหล่งกำเนิดแสงจะถูกฉายรังสีผ่านมาสก์ไปยังพื้นผิวของซิลิคอนเวเฟอร์ด้วยโฟโตเรสซิสต์ ทำให้พื้นที่รับแสงของโฟโตเรสซิสต์มีผลทางเคมี จากนั้น พื้นที่ที่สัมผัสหรือไม่ได้รับแสงจะถูกละลายและลบออกโดยเทคโนโลยีที่กำลังพัฒนา เพื่อให้รูปแบบวงจรบนหน้ากากถูกถ่ายโอนไปยังช่างถ่ายภาพ และสุดท้ายรูปแบบจะถูกถ่ายโอนไปยังซิลิคอนเวเฟอร์ด้วยเทคโนโลยีการกัด
โฟโตลิโทกราฟีแบ่งออกเป็นสองกระบวนการพื้นฐาน ได้แก่ โฟโตลิโทกราฟีแบบบวกและโฟโตลิโทกราฟีแบบลบ ตามความแตกต่างระหว่างโฟโตลิโทกราฟีแบบบวกและลบ ในการถ่ายภาพด้วยแสงแบบบวก โครงสร้างของส่วนที่เปิดออกของตัวต้านทานแบบบวกจะถูกทำลายและถูกชะล้างออกไปโดยตัวทำละลาย เพื่อให้รูปแบบบนตัวถ่ายภาพเหมือนกันกับรูปแบบบนหน้ากาก
ในทางกลับกัน ในการพิมพ์หินแบบเนกาทีฟ ส่วนที่เปิดเผยของตัวต้านทานแบบเนกาทีฟจะแข็งตัวและไม่ละลายน้ำ และส่วนที่มาสก์จะถูกชะล้างออกไปด้วยตัวทำละลาย ทำให้ลวดลายบนโฟโตเรสซิสต์ตรงกันข้ามกับลวดลายบนมาสก์
เราสามารถอธิบายขั้นตอนนี้จากระดับจุลภาคได้ง่ายๆ
เพลตโฟโตเรสซิสต์ที่ทำไว้ล่วงหน้าจะถูกเคลือบบนแผ่นเวเฟอร์ (หรือเวเฟอร์ซิลิคอน) ที่เคลือบด้วยโฟโตเรสซิสต์ จากนั้นเวเฟอร์จะถูกฉายรังสีด้วยรังสีอัลตราไวโอเลตผ่านแผ่นโฟโตเรสซิสต์เป็นระยะเวลาหนึ่ง หลักการคือใช้รังสีอัลตราไวโอเลตในการทำให้โฟโตเรสซิสต์เสื่อมลงและทำให้ง่ายต่อการสึกกร่อน
โฟโตเรสสิสต์ที่ละลายได้: โฟโตเรสสิสต์ที่สัมผัสกับแสงอัลตราไวโอเลตในกระบวนการโฟโตลิโทกราฟีจะละลายหายไป และรูปแบบที่เหลือหลังจากการลบจะสอดคล้องกับรูปแบบบนหน้ากาก
"Etching" หมายความว่าหลังจากการถ่ายภาพด้วยแสงแล้ว ส่วนที่เสื่อมสภาพของ photoresist (ตัวต้านทานแบบบวก) จะถูกกัดออกด้วยสารละลายกัด และพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์จะแสดงรูปแบบของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และการเชื่อมต่อ จากนั้นใช้น้ำยาแกะสลักอื่นเพื่อกัดแผ่นเวเฟอร์เพื่อสร้างอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และวงจร
การกำจัดโฟโตเรสสิสต์: หลังจากการแกะสลักเสร็จสิ้น ภารกิจของโฟโตเรสสิสต์จะถือว่าเสร็จสิ้น และสามารถมองเห็นรูปแบบวงจรที่ออกแบบไว้ได้หลังจากการลบทั้งหมด
ทรานซิสเตอร์มากกว่า 1 หมื่นล้านตัวถูกสลักด้วยวิธีนี้ และทรานซิสเตอร์ถูกใช้ในฟังก์ชันดิจิตอลและอะนาล็อกที่หลากหลาย ซึ่งรวมถึงการขยายสัญญาณ การสลับ การควบคุมแรงดันไฟฟ้า การมอดูเลตสัญญาณ และออสซิลเลเตอร์
ทรานซิสเตอร์จำนวนมากสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการคำนวณของโปรเซสเซอร์ได้ นอกจากนี้ การลดขนาดยังสามารถลดการใช้พลังงานได้อีกด้วย ในที่สุด หลังจากที่ชิปมีขนาดเล็กลง การเสียบเข้ากับอุปกรณ์พกพาก็ง่ายขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการในการทำให้ผอมและลดน้ำหนักในอนาคต
ภาพตัดขวางของชิปทรานซิสเตอร์
หลังจากใช้ 3 นาโนเมตร ทรานซิสเตอร์ในปัจจุบันก็ไม่เหมาะอีกต่อไป และอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ก็กำลังพัฒนา nanosheet FETs (GAA FETs) และ nanowire FETs (MBCFETs) ซึ่งถือเป็นแนวทางสำหรับ finFET ในปัจจุบัน
Samsung กำลังเดิมพันกับเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์เกทรอบ GAA ซึ่ง TSMC ยังไม่ได้เปิดเผยรายละเอียดกระบวนการเฉพาะ Samsung ประกาศเปิดตัวทรานซิสเตอร์เซอร์ราวด์เกต GAA เป็นครั้งแรกในปี 2019 ตามคำแถลงอย่างเป็นทางการของ Samsung ซึ่งใช้โครงสร้างทรานซิสเตอร์ GAA ใหม่ โดย Samsung ผลิต MBCFET (Multi-Bridge-Channel FET, multi-bridge-channel field effect transistor) โดยใช้อุปกรณ์นาโนชีท ) ซึ่งสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์ได้อย่างมีนัยสำคัญและแทนที่เทคโนโลยีทรานซิสเตอร์ FinFET
รูปภาพ
นอกจากนี้ เทคโนโลยี MBCFET ยังเข้ากันได้กับเทคโนโลยีกระบวนการผลิต FinFET และอุปกรณ์ที่มีอยู่ ซึ่งจะช่วยเร่งการพัฒนากระบวนการและการผลิต
2
