Chip được xây từng lớp qua ba chặng

Nhiều chip được chế tạo trên cùng một wafer trong fab

Một wafer chứa nhiều chip, và fab chế tạo các chip trên cùng một wafer, mỗi công đoạn chạy một lần cho cả wafer.

Một wafer (tấm silicon tròn, đường kính 300 mm) chứa nhiều chip.

Fab (nhà máy chế tạo chip) làm các chip trên cùng một wafer, mỗi công đoạn chạy một lần cho cả wafer.

Xem lời đọc

Đây là một wafer tròn, làm bằng silicon. Mỗi ô vuông trên wafer là một chip. Ta phóng to một chip để thấy nó là một mạch điện nhỏ nằm trên silicon. Wafer trong hình có đường kính ba trăm mi li mét. Toàn bộ khung bao quanh là fab, nơi chế tạo chip trên wafer. Vậy fab làm các chip trên cùng một wafer, và mỗi công đoạn chạy một lần cho cả wafer.

Số chip trên một wafer phụ thuộc cỡ chip, từ vài chục đến hàng chục nghìn chip. Ước lượng số chip ≈ π·(d/2)²/A − π·d/√(2A), với d = 300 mm là đường kính wafer và A là diện tích một chip. Ví dụ A = 100 mm² cho khoảng 640 chip. Đây là ước lượng lý thuyết, chưa trừ đường cắt, mép wafer và chip hỏng.

Hình chỉ vẽ lưới minh họa, không đúng số chip thật. Chip là mạch tích hợp: nhiều transistor nối với nhau trên một mảnh silicon.

Mỗi lớp được xây bằng một vòng năm khâu

Mỗi lớp thường theo một vòng gồm phủ màng, vẽ hình, khắc, làm sạch và đo.

Mỗi lớp thường theo một vòng năm khâu: phủ màng (một lớp vật liệu), vẽ hình (quang khắc), khắc, làm sạch, đo.

Khâu vẽ hình phủ photoresist (chất cản quang), chiếu hoa văn của photomask (mặt nạ) lên đó rồi rửa phần bị chiếu.

Xem lời đọc

Mỗi lớp của chip được xây bằng một vòng gồm năm khâu. Trước hết, ta phủ một lớp màng lên wafer. Tiếp theo là vẽ hình, ta phủ chất cản quang rồi chiếu hoa văn của mặt nạ lên đó. Chỗ chất cản quang bị chiếu được rửa đi, để lộ màng bên dưới. Sau đó ta khắc bỏ màng ở những chỗ không còn chất cản quang. Kế đến, ta làm sạch, bỏ phần chất cản quang còn lại. Cuối cùng, ta đo xem hình vừa tạo có đúng kích thước không. Rồi vòng này lặp lại cho lớp kế tiếp.

Khâu là một việc trong vòng một lớp; mỗi khâu gồm một hoặc vài công đoạn xử lý wafer. Chất cản quang là lớp nhạy sáng; phần bị chiếu được rửa đi, chừa lỗ hở (loại ngược lại cũng có).

Hình vẽ ánh sáng đi qua mặt nạ cho đơn giản; một số máy dùng mặt nạ phản xạ. Mặt nạ thật nằm cách xa tấm và hình được thu nhỏ khi chiếu, nên hình vẽ không đúng tỉ lệ.

Không phải lớp nào cũng đủ năm khâu; hình vẽ trường hợp điển hình có khắc. Khâu đo kiểm tra kích thước của hình vừa tạo.

Chip được xây từ dưới lên, lớp chồng lên lớp

Mỗi vòng thêm một lớp; một chip tính toán tiên tiến cần khoảng 600 đến hơn 1 000 bước xử lý.

Vòng năm khâu lặp lại cho từng lớp, nên chip lớn dần từ dưới lên.

Một chip tính toán tiên tiến cần khoảng 600 đến hơn 1 000 bước xử lý; mỗi bước là một lần chạy một công đoạn (loại việc như phủ, khắc) trên wafer.

Xem lời đọc

Sau khi xong một lớp, ta lặp lại vòng năm khâu cho lớp kế tiếp. Mỗi vòng thêm một lớp mới lên trên lớp cũ. Vì vậy chip được xây từ dưới lên, lớp này chồng lên lớp kia. Một chip tính toán tiên tiến cần khoảng sáu trăm đến hơn một nghìn bước xử lý. Một bước xử lý là một lần máy chạy một việc, như phủ hoặc khắc, trên wafer. Vậy chip là kết quả của rất nhiều bước xử lý nối tiếp nhau.

Số bước lấy từ tài liệu ngành (quy trình logic tiên tiến có "600 đến 1 000 bước hoặc hơn"); số thật thay đổi theo thế hệ công nghệ và nhà máy.

Hình chỉ vẽ 7 lớp, chip thật nhiều hơn; 7 lớp × 5 khâu chưa phải toàn bộ số bước vì mỗi khâu gồm nhiều lần xử lý. Màu của lớp dưới cùng và lớp trên cùng chỉ để phân biệt các lớp.

Chip tính toán là chip xử lý, như bộ xử lý trong điện thoại.

Chip đi qua ba chặng: làm wafer, fab và back-end

Ba chặng nối tiếp: làm wafer, chế tạo chip trên wafer trong fab, rồi kiểm tra, cắt, đóng vỏ ở back-end.

Chip đi qua ba chặng nối tiếp.

Làm wafer, chế tạo chip trong fab, rồi kiểm tra, cắt và đóng vỏ ở back-end (giai đoạn sau fab).

Xem lời đọc

Một chip được làm ra qua ba chặng nối tiếp nhau. Chặng một làm ra wafer tròn và trơn, chưa có chip nào. Chặng hai là fab, nơi chip được chế tạo ngay trên bề mặt wafer. Wafer rời fab với đầy đủ chip nhưng các chip còn dính liền nhau. Chặng ba là back-end, nơi ta cắt wafer thành từng chip. Sau đó chip được đóng vỏ rồi kiểm tra lần cuối.

Chặng một làm wafer tròn, siêu sạch, từ nguyên liệu thô. Đóng vỏ là bọc chip trong vỏ bảo vệ có chân nối ra ngoài.

Back-end thường do nhà máy chuyên về đóng gói và kiểm tra thực hiện.

Fab chia thành FEOL, MOL và BEOL theo thứ tự từ dưới lên

Trong fab, transistor được làm trước, nằm dưới cùng, rồi tiếp xúc, rồi dây đồng nhiều tầng nằm trên cùng.

Fab chia thành ba phần theo thứ tự xây.

FEOL (làm transistor) nằm dưới cùng, MOL (làm tiếp xúc) ở giữa, BEOL (làm dây đồng nhiều tầng) nằm trên cùng.

Xem lời đọc

Bên trong fab, chip được xây theo ba phần liên tiếp. Phần đầu là FEOL, làm các transistor trên mặt silicon. Phần thứ hai là MOL, làm các trụ kim loại gọi là tiếp xúc. Tiếp xúc nối từ transistor lên dây đồng phía trên. Phần thứ ba là BEOL, làm dây đồng, xếp thành nhiều tầng. Các tầng dây nối những transistor với nhau thành mạch. Vậy transistor nằm dưới cùng, tiếp xúc ở giữa, còn dây nằm trên cùng.

FEOL = front end of line, MOL = middle of line, BEOL = back end of line. Trụ tiếp xúc làm bằng kim loại, không phải đồng của các tầng dây; chân trụ bắt đầu từ mặt silicon, phần thấp nằm cạnh cổng, còn đỉnh trụ thuộc phần làm tiếp xúc.

Hình là sơ đồ không đúng tỉ lệ: tiếp xúc thật nhỏ hơn nhiều, chip thật có nhiều tầng dây hơn năm tầng; giữa các tầng là vật liệu cách điện (vẽ nền oxit mờ). Các đoạn dây không có via và hai chồng dây ngoài kéo sang phần khác của chip, ngoài mặt cắt.

Hình vẽ hai transistor nối tiếp: máng của transistor trái nối với nguồn của transistor phải; nguồn trái và máng phải nối lên hai dây riêng, kéo sang chỗ khác ngoài hình.

Back-end nằm sau fab và khác với BEOL

BEOL làm dây trong fab; back-end bắt đầu khi wafer đã rời fab, gồm wafer sort, cắt, đóng vỏ và kiểm tra cuối.

BEOL làm dây ngay trong fab, còn back-end bắt đầu khi wafer đã rời fab.

Back-end gồm wafer sort (thử chức năng từng chip ngay trên wafer), cắt, đóng vỏ và kiểm tra cuối.

Xem lời đọc

BEOL, phần làm dây đồng, nằm ngay trong fab. Back-end chỉ bắt đầu khi wafer đã rời fab. Việc đầu tiên là wafer sort, thử chức năng từng chip ngay khi chúng còn nằm trên wafer. Tiếp theo, ta cắt wafer thành từng chip rời. Mỗi chip được đóng vào một vỏ bảo vệ. Việc cuối cùng là kiểm tra chip đã đóng vỏ. Vậy BEOL thuộc fab, còn back-end nằm sau fab.

Wafer sort thường được xếp vào phần kiểm tra sau nhà máy, có nơi làm ngay tại nhà máy; khóa này dùng quy ước đó. Kim dò chạm từng chip để thử chức năng, chip hỏng được đánh dấu.

Hình rút gọn: back-end còn có mài mỏng mặt sau và gắn, kết nối chip. "Thử chức năng" (wafer sort, thử điện từng chip) khác khâu "đo" ở vòng một lớp (kiểm tra kích thước hình vừa tạo).
Số liệu