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晶圓如何變成cpu

vevina @ 2020-06-03 , reply:0

概述

  晶圓的概念  晶圓是指硅半導體集成電路製作所用的硅晶片,由於其形狀為圓形,故稱為晶圓;在硅晶片上可加工製作成各種電路元件結構,而成為有特定電性功能之IC產品。晶圓的原始材料是硅,而地殼表面有用之不……

  晶圓的概念

  晶圓是指硅半導體集成電路製作所用的硅晶片,由於其形狀為圓形,故稱為晶圓;在硅晶片上可加工製作成各種電路元件結構,而成為有特定電性功能之IC產品。晶圓的原始材料是硅,而地殼表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅礦石經由電弧爐提煉,鹽酸氯化,並經蒸餾後,製成了高純度的多晶硅,其純度高達99.999999999%。

  CPU的工藝要素

  1)晶圓尺寸

  硅晶圓尺寸是在半導體生產過程中硅晶圓使用的直徑值。硅晶圓尺寸越大越好,因為這樣每塊晶圓能生產更多的芯片。比如,同樣使用0.13微米的製程在200mm的晶圓上可以生產大約179個處理器核心,而使用300mm的晶圓可以製造大約427個處理器核心,300mm直徑的晶圓的面積是200mm直徑晶圓的2.25倍,出產的處理器個數卻是後者的2.385倍,並且300mm晶圓實際的成本並不會比200mm晶圓來得高多少,因此這種成倍的生產率提高顯然是所有芯片生產商所喜歡的。

  然而,硅晶圓具有的一個特性卻限制了生產商隨意增加硅晶圓的尺寸,那就是在晶圓生產過程中,離晶圓中心越遠就越容易出現壞點。因此從硅晶圓中心向外擴展,壞點數呈上升趨勢,這樣我們就無法隨心所欲地增大晶圓尺寸。

  (2)蝕刻尺寸

  蝕刻尺寸是製造設備在一個硅晶圓上所能蝕刻的一個最小尺寸,是CPU核心製造的關鍵技術參數。在製造工藝相同時,晶體管越多處理器內核尺寸就越大,一塊硅晶圓所能生產的芯片的數量就越少,每顆CPU的成本就要隨之提高。反之,如果更先進的製造工藝,意味著所能蝕刻的尺寸越小,一塊晶圓所能生產的芯片就越多,成本也就隨之降低。

  (3)金屬互連層

  在前面的第5節“重複、分層”中,我們知道了不同CPU的內部互連層數是不同的。這和廠商的設計是有關的,但它也可以間接說明CPU製造工藝的水平。這種設計沒有什麼好說的了,Intel在這方面已經落後了,當他們在0.13微米制程上使用6層技術時,其他廠商已經使用7層技術了;而當Intel準備好使用7層時,IBM已經開始了8層技術;當Intel在Prescott中引人7層帶有Lowk絕緣層的銅連接時,AMD已經用上9層技術了。更多的互連層可以在生產上億個晶體管的CPU(比如Prescott)時提供更高的靈活性。

  我們知道當晶體管的尺寸不斷減小而處理器上集成的晶體管又越來越多的時候,連接這些晶體管的金屬線路就更加重要了。特別是金屬線路的容量直接影響信息傳送的速度。在90納米制程上,Intel推出了新的絕緣含碳的二氧化硅來取代氟化硅酸鹽玻璃,並同時表示這可以增加18%的內部互連效率。

  CPU生產流程

  (1)硅提純

  生產CPU等芯片的材料是半導體,現階段主要的材料是硅Si,這是一種非金屬元素,從化學的角度來看,由於它處於元素週期表中金屬元素區與非金屬元素區的交界處,所以具有半導體的性質,適合於製造各種微小的晶體管,是目前最適宜於製造現代大規模集成電路的材料之一。

  在硅提純的過程中,原材料硅將被熔化,並放進一個巨大的石英熔爐。這時向熔爐裡放入一顆晶種,以便硅晶體圍著這顆晶種生長,直到形成一個幾近完美的單晶硅。以往的硅錠的直徑大都是200毫米,而CPU廠商正在增加300毫米晶圓的生產。

  (2)切割晶圓

  硅錠造出來了,並被整型成一個完美的圓柱體,接下來將被切割成片狀,稱為晶圓。晶圓才被真正用於CPU的製造。所謂的“切割晶圓”也就是用機器從單晶硅棒上切割下一片事先確定規格的硅晶片,並將其劃分成多個細小的區域,每個區域都將成為一個CPU的內核(Die)。一般來說,晶圓切得越薄,相同量的硅材料能夠製造的CPU成品就越多。

  (3)影印(Photolithography)

  在經過熱處理得到的硅氧化物層上面塗敷一種光阻(Photoresist)物質,紫外線通過印製著CPU複雜電路結構圖樣的模板照射硅基片,被紫外線照射的地方光阻物質溶解。而為了避免讓不需要被曝光的區域也受到光的干擾,必須製作遮罩來遮蔽這些區域。這是個相當複雜的過程,每一個遮罩的複雜程度得用10GB數據來描述。

  (4)蝕刻(Etching)

  這是CPU生產過程中重要操作,也是CPU工業中的重頭技術。蝕刻技術把對光的應用推向了極限。蝕刻使用的是波長很短的紫外光並配合很大的鏡頭。短波長的光將透過這些石英遮罩的孔照在光敏抗蝕膜上,使之曝光。接下來停止光照並移除遮罩,使用特定的化學溶液清洗掉被曝光的光敏抗蝕膜,以及在下面緊貼著抗蝕膜的一層硅。

  然後,曝光的硅將被原子轟擊,使得暴露的硅基片局部摻雜,從而改變這些區域的導電狀態,以製造出N井或P井,結合上面製造的基片,CPU的門電路就完成了。

  (5)重複、分層

  為加工新的一層電路,再次生長硅氧化物,然後沉積一層多晶硅,塗敷光阻物質,重複影印、蝕刻過程,得到含多晶硅和硅氧化物的溝槽結構。重複多遍,形成一個3D的結構,這才是最終的CPU的核心。每幾層中間都要填上金屬作為導體。Intel的Pentium4處理器有7層,而AMD的Athlon64則達到了9層。層數決定於設計時CPU的佈局,以及通過的電流大小。

  (6)封裝

  這時的CPU是一塊塊晶圓,它還不能直接被用戶使用,必須將它封入一個陶瓷的或塑料的封殼中,這樣它就可以很容易地裝在一塊電路板上了。封裝結構各有不同,但越高級的CPU封裝也越複雜,新的封裝往往能帶來芯片電氣性能和穩定性的提升,並能間接地為主頻的提升提供堅實可靠的基礎。

  (7)多次測試

  測試是一個CPU製造的重要環節,也是一塊CPU出廠前必要的考驗。這一步將測試晶圓的電氣性能,以檢查是否出了什麼差錯,以及這些差錯出現在哪個步驟(如果可能的話)。接下來,晶圓上的每個CPU核心都將被分開測試。

  由於SRAM(靜態隨機存儲器,CPU中緩存的基本組成)結構複雜、密度高,所以緩存是CPU中容易出問題的部分,對緩存的測試也是CPU測試中的重要部分。

  每塊CPU將被進行完全測試,以檢驗其全部功能。某些CPU能夠在較高的頻率下運行,所以被標上了較高的頻率;而有些CPU因為種種原因運行頻率較低,所以被標上了較低的頻率。最後,個別CPU可能存在某些功能上的缺陷,如果問題出在緩存上,製造商仍然可以屏蔽掉它的部分緩存,這意味著這塊CPU依然能夠出售,只是它可能是Celeron等低端產品。

  當CPU被放進包裝盒之前,一般還要進行最後一次測試,以確保之前的工作準確無誤。根據前面確定的最高運行頻率和緩存的不同,它們被放進不同的包裝,銷往世界各地。

  晶圓如何變成cpu

  早在2010年歐盟贊助了一項由德國海森堡大學發起的項目,名字叫BrainScaleS(Brain-inspiredmultiscalecomputationinneuromorphichybridsystems),其實和最近很火的IBMTureNorth處理器有點類似,都是模擬大腦物理結構的東西。不過他們模擬的是老鼠的大腦結構,具體步驟是先將老鼠的大腦用液氮冰凍,然後一層一層用機器磨掉,每磨掉一層就進行一次拍照,然後根據全部的照片去研究老鼠的大腦結構(沒錯,和山寨手機仿造電路板用的方法一模一樣)。

  然後根據這個使用180nmCMOS工藝,在一整片的8英寸晶圓去復現了老鼠的大腦結構,有20萬個神經元、5000萬個突觸。因為大腦是一個3D狀的網絡結構,所以實際的CPU是把它平鋪到1個2D平面上的,所以在晶圓上有一個個的區域,不同的區域之間使用了專門開發的結構去進行互聯。

  至於為什麼使用如此“古董“的工藝,其原因在於這是一個數模混合芯片,我們知道模擬電路由於自身的特徵(低噪聲和高驅動能力等)而無法使用線寬太小的半導體工藝(否則要麼達不到設計指標,要麼乾脆就燒掉啦),而數字電路則不用考慮這些。所以在CPU工藝已經進步到14nm的今天,模擬電路使用的主流工藝還是130-180nm。

  實際的系統已經在2013年上線了,不過效果貌似沒有預期那麼好,這個項目已經於去年停止了。

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