集成电路的结构和组成

　　先来讲一讲，为啥大家都说芯片里有成万上亿个晶体管？晶体管是什么东东？感兴趣的可以看看这一部分。

　　一、纸上谈IC

　　一般的，我们用由上而下的层级来认识集成电路，这样便于理解，也更有条理些。

　　（1）系统级

　　以手机为例，整个手机是一个复杂的电路系统，它可以打电话、可以玩游戏、可以听音乐、可以哔--。它由多个芯片以及电阻、电感、电容相互连接而成，称为系统级。（当然，随着技术的发展，将一整个系统做在一个芯片上的技术也已经出现多年——SoC技术）

　　（2）模块级

　　在整个系统中分为很多功能模块各司其职。有的管理电源，有的负责通信，有的负责显示，有的负责发声，有的负责统领全局的计算，等等。我们称为模块级。这里面每一个模块都是一个宏大的领域，都聚集着无数人类智慧的结晶，也养活了很多公司。

　　（3）寄存器传输级（RTL）

　　那么每个模块都是由什么组成的呢？以占整个系统较大比例的数字电路模块（它专门负责进行逻辑运算，处理的电信号都是离散的0和1）为例。它是由寄存器和组合逻辑电路组成的。

　　所谓寄存器就是一个能够暂时存储逻辑值的电路结构，它需要一个时钟信号来控制逻辑值存储的时间长短。

　　现实中，我们需要时钟来衡量时间长短，电路中也需要时钟信号来统筹安排。时钟信号是一个周期稳定的矩形波。现实中秒钟动一下是我们的一个基本时间尺度，电路中矩形波震荡一个周期是它们世界的一个时间尺度。电路元件们根据这个时间尺度相应地做出动作，履行义务。

　　组合逻辑呢，就是由很多“与（AND）、或（OR）、非（NOT）”逻辑门构成的组合。比如两个串联的灯泡，各带一个开关，只有两个开关都打开，灯才会亮，这叫做与逻辑。

　　一个复杂的功能模块正是由这许许多多的寄存器和组合逻辑组成的。把这一层级叫做寄存器传输级。

　　图中的三角形加一个圆圈是一个非门，旁边的器件是一个寄存器，D是输入，Q是输出，clk端输入时钟信号。

　　（4）门级

　　寄存器传输级中的寄存器其实也是由与或非逻辑构成的，把它再细分为与、或、非逻辑，便到达了门级（它们就像一扇扇门一样，阻挡/允许电信号的进出，因而得名）。

　　（5）晶体管级

　　无论是数字电路还是模拟电路，到最底层都是晶体管级了。所有的逻辑门（与、或、非、与非、或非、异或、同或等等）都是由一个个晶体管构成的。因此集成电路从宏观到微观，达到最底层，满眼望去其实全是晶体管以及连接它们的导线。

　　早期的时候双极性晶体管（BJT）用的比较多，俗称三极管。它连上电阻、电源、电容，本身就具有放大信号的作用。像堆积木一样，可以用它构成各种各样的电路，比如开关、电压/电流源电路、上面提到的逻辑门电路、滤波器、比较器、加法器甚至积分器等等。由BJT构建的电路我们称为TTL（Transistor-Transistor Logic）电路。BJT的电路符号长这个样子：

　　后来金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的出现，以优良的电学特性、超低的功耗横扫IC领域。除了模拟电路中BJT还有身影外，基本上现在的集成电路都是由MOS管组成的了。同样的，由它也可以搭起来成千上万种电路。而且它本身也可以经过适当连接用来作电阻、电容等基本电路元件。MOSFET的电路符号如下：

　　如上所述，在实际工业生产中，芯片的制造，实际上就是成千上万个晶体管的制造过程。

　　现实中制造芯片的层级顺序就要反过来了，从最底层的晶体管开始一层层向上搭建。

　　基本上，按照“晶体管-》芯片-》电路板” 的顺序，我们最终可以得到电子产品的核心部件——电路板。

二、IC的制造

　　想直接看芯片制造的可以直接空降至此。

　　下文中的光刻机主要指步进式和扫描式光刻机。

　　1. 首先我们知道，光刻的大致流程是，一个晶圆（wafer）（通常直径为300mm）上涂一层光刻胶，然后光线经过一个已经刻有电路图案（pattern）的掩膜版（mask or reTIcle）照射到晶圆上，晶圆上的光刻胶部分感光（对应有图案的部分），接着做后续的溶解光刻胶、蚀刻晶圆等处理。然后再涂一层光刻胶，重复上述步骤几十次，以达到所需要求；

　　2. 简化结构请看下图。掩膜版和晶圆各自安装在一个运动平台上（reTIcle stage and wafer stage）。光刻时，两者运动到规定的位置，光源打开。光线通过掩膜版后，经过透镜，该透镜能够将电路图案缩小至原来的四分之一，然后投射到晶圆上，使光刻胶部分感光。

　　3. 一块晶圆上有很多die，每一个die上都刻有相同的电路图案，即一块晶圆可以出产很多芯片。一个die典型的尺寸是26&TImes;32mm。光刻机主要有两种，一种叫做stepper，即掩膜版和晶圆上的某一个die运动到位后，光源开、闭，完成一次光刻，然后晶圆运动使得下一个die到位，再进行一次光刻，依此类推。而另一种光刻机叫做scanner，即光线被限制在一条缝的区域内，光刻时，掩膜版和晶圆同时运动，使光线以扫描的方式扫过一个die的区域，从而将电路图案刻在晶圆上（见下图（b））。scanner比stepper的优势在于，可以提供更大的die的尺寸。其原因在于，对于一个固定尺寸的圆透镜，比如直径32mm的圆（指投射后的区域大小），其允许透过的光线的区域尺寸是受限的。若采用stepper的step-and-expose方式进行光刻，一个die的区域必须能被包含在直径32mm的圆中，因此能获得的最大的die的尺寸为22&TImes;22mm；若采用scanner的step-and-scan方式，透镜能够提供的矩形区域长度可以到26mm（26×8mm）甚至更长，将光缝设置为这个尺寸，使用扫描的方式便可以获得26×Lmm的区域（L为扫描长度）。区域示意见下图（a）。同样的透镜在stepper下可以实现更大区域的意义在于，当你需要生产尺寸较大的芯片的时候，换一个更大的透镜的费用是昂贵的。

　　4. Scanner的step-and-scan过程的示意图如下：

　　5. 为了使每层的电路相互之间不发生干涉，需要对上下平台进行精密运动控制。扫描时上下平台应处于匀速运动阶段。目前最小的层叠误差小于2nm（单个机器内）或3nm（不同机器间）。

　　6. 光源的波长一般为365、248、193、157甚至13.5 nm（EUV， Extreme Ultraviolet）。因为光刻过程受到衍射限制，光源波长越小，能够做出的芯片尺寸就越小。

　　7. 在透镜和晶圆之间加入折射率大于1的液体（如水），可以减小光线波长，从而提高NA（数值孔径）和分辨率。这种光刻机叫浸润式（immersion）光刻机。

　　8. 世界上做高端光刻机的厂家主要有ASML、Nikon和Canon。佳能大概已经不行了。Nikon每年开个会叫做LithoVision。