漫談集成電路的結構和組成

2020-11-06

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先來講一講，為啥大家都說晶片里有成萬上億個電晶體？電晶體是什麼東東？感興趣的可以看看這一部分。

一、紙上談IC

一般的，我們用由上而下的層級來認識集成電路，這樣便於理解，也更有條理些。

（1）系統級

以手機為例，整個手機是一個複雜的電路系統，它可以打電話、可以玩遊戲、可以聽音樂、可以嗶--。

它由多個晶片以及電阻、電感、電容相互連接而成，稱為系統級。

（當然，隨著技術的發展，將一整個系統做在一個晶片上的技術也已經出現多年——SoC技術）

（2）模塊級

在整個系統中分為很多功能模塊各司其職。

有的管理電源，有的負責通信，有的負責顯示，有的負責發聲，有的負責統領全局的計算，等等。

我們稱為模塊級。

這裡面每一個模塊都是一個宏大的領域，都聚集著無數人類智慧的結晶，也養活了很多公司。

（3）寄存器傳輸級（RTL）

那麼每個模塊都是由什麼組成的呢？以占整個系統較大比例的數字電路模塊（它專門負責進行邏輯運算，處理的電信號都是離散的0和1）為例。

它是由寄存器和組合邏輯電路組成的。

所謂寄存器就是一個能夠暫時存儲邏輯值的電路結構，它需要一個時鐘信號來控制邏輯值存儲的時間長短。

現實中，我們需要時鐘來衡量時間長短，電路中也需要時鐘信號來統籌安排。

時鐘信號是一個周期穩定的矩形波。

現實中秒鐘動一下是我們的一個基本時間尺度，電路中矩形波震盪一個周期是它們世界的一個時間尺度。

電路元件們根據這個時間尺度相應地做出動作，履行義務。

組合邏輯呢，就是由很多「與（AND）、或（OR）、非（NOT）」邏輯門構成的組合。

比如兩個串聯的燈泡，各帶一個開關，只有兩個開關都打開，燈才會亮，這叫做與邏輯。

一個複雜的功能模塊正是由這許許多多的寄存器和組合邏輯組成的。

把這一層級叫做寄存器傳輸級。

圖中的三角形加一個圓圈是一個非門，旁邊的器件是一個寄存器，D是輸入，Q是輸出，clk端輸入時鐘信號。

（4）門級

寄存器傳輸級中的寄存器其實也是由與或非邏輯構成的，把它再細分為與、或、非邏輯，便到達了門級（它們就像一扇扇門一樣，阻擋/允許電信號的進出，因而得名）。

（5）電晶體級

無論是數字電路還是模擬電路，到最底層都是電晶體級了。

所有的邏輯門（與、或、非、與非、或非、異或、同或等等）都是由一個個電晶體構成的。

因此集成電路從宏觀到微觀，達到最底層，滿眼望去其實全是電晶體以及連接它們的導線。

早期的時候雙極性電晶體（BJT）用的比較多，俗稱三極體。

它連上電阻、電源、電容，本身就具有放大信號的作用。

像堆積木一樣，可以用它構成各種各樣的電路，比如開關、電壓/電流源電路、上面提到的邏輯門電路、濾波器、比較器、加法器甚至積分器等等。

由BJT構建的電路我們稱為TTL（Transistor-Transistor Logic）電路。

BJT的電路符號長這個樣子：

後來金屬-氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）的出現，以優良的電學特性、超低的功耗橫掃IC領域。

除了模擬電路中BJT還有身影外，基本上現在的集成電路都是由MOS管組成的了。

同樣的，由它也可以搭起來成千上萬種電路。

而且它本身也可以經過適當連接用來作電阻、電容等基本電路元件。

MOSFET的電路符號如下：

如上所述，在實際工業生產中，晶片的製造，實際上就是成千上萬個電晶體的製造過程。

現實中製造晶片的層級順序就要反過來了，從最底層的電晶體開始一層層向上搭建。

基本上，按照「電晶體->晶片->電路板」的順序，我們最終可以得到電子產品的核心部件——電路板。

二、IC的製造

想直接看晶片製造的可以直接空降至此。

下文中的光刻機主要指步進式和掃描式光刻機。

1. 首先我們知道，光刻的大致流程是，一個晶圓（wafer）（通常直徑為300mm）上塗一層光刻膠，然後光線經過一個已經刻有電路圖案（pattern）的掩膜版（mask or reticle）照射到晶圓上，晶圓上的光刻膠部分感光（對應有圖案的部分），接著做後續的溶解光刻膠、蝕刻晶圓等處理。

然後再塗一層光刻膠，重複上述步驟幾十次，以達到所需要求；

2. 簡化結構請看下圖。

掩膜版和晶圓各自安裝在一個運動平台上（reticle stage and wafer stage）。

光刻時，兩者運動到規定的位置，光源打開。

光線通過掩膜版後，經過透鏡，該透鏡能夠將電路圖案縮小至原來的四分之一，然後投射到晶圓上，使光刻膠部分感光。

3. 一塊晶圓上有很多die，每一個die上都刻有相同的電路圖案，即一塊晶圓可以出產很多晶片。

一個die典型的尺寸是26×32mm。

光刻機主要有兩種，一種叫做stepper，即掩膜版和晶圓上的某一個die運動到位後，光源開、閉，完成一次光刻，然後晶圓運動使得下一個die到位，再進行一次光刻，依此類推。

而另一種光刻機叫做scanner，即光線被限制在一條縫的區域內，光刻時，掩膜版和晶圓同時運動，使光線以掃描的方式掃過一個die的區域，從而將電路圖案刻在晶圓上（見下圖(b)）。

scanner比stepper的優勢在於，可以提供更大的die的尺寸。

其原因在於，對於一個固定尺寸的圓透鏡，比如直徑32mm的圓（指投射後的區域大小），其允許透過的光線的區域尺寸是受限的。

若採用stepper的step-and-expose方式進行光刻，一個die的區域必須能被包含在直徑32mm的圓中，因此能獲得的最大的die的尺寸為22×22mm；若採用scanner的step-and-scan方式，透鏡能夠提供的矩形區域長度可以到26mm（26×8mm）甚至更長，將光縫設置為這個尺寸，使用掃描的方式便可以獲得26×Lmm的區域（L為掃描長度）。

區域示意見下圖(a)。

同樣的透鏡在stepper下可以實現更大區域的意義在於，當你需要生產尺寸較大的晶片的時候，換一個更大的透鏡的費用是昂貴的。