1 芯片的定义和构造
1.1 定义
芯片一般指芯片（Chip）或集成电路芯片（Integrated Circuit Chip），是一种由半导体材料制成的微小的电子器件。
通常来说，芯片就是集成电路（integrated circuit）。两者之间可以划等号，互相换用。通过特定技术，将晶体管、电阻、电容、二极管等电子元件集成在单一基板上，形成的一种微型电路，叫做集成电路。但如果这个基板，采用的是半导体材料（例如硅），或者说，集成电路由半导体材料晶圆制造而来，就属于半导体集成电路。
传统意义上说的集成电路，基本上都是指半导体集成电路，半导体、芯片、集成电路三个词，经常可以混用。
1.2 构造

1.3 啥是wafer啥是die？
晶圆（Wafer）是半导体制造过程中的一种基础材料，通常由单晶硅制成，为圆盘状。晶圆是半导体芯片制造的起点，通过在晶圆表面上进行一系列的工艺步骤，如光刻、蚀刻、沉积、离子注入等，最终形成集成电路芯片。

2 芯片制造模式和芯片公司的类型
IDM和Fabless是两种主要的芯片制造模式，对应不同的制造程序存在四种不同的芯片公司。后续结合芯片的制造流程对于这部分内容会有更深入的理解。

芯片制造的模式通常有两种：

对应的存在4类基本的芯片公司类型：

IDM公司：芯片的设计、生产、封装和检测都是自己做的。典型的厂家是三星、英特尔、德州仪器。
Fabless公司：芯片设计企业，专注于芯片的设计研发和销售。而实物产品的晶圆制造、封装测试等环节，外包给代工厂（称为Foundry）完成。典型代表有:苹果、高通、海思、联发科等。
Foundry公司：即我们常说的“代工厂”， 只专注于芯片制造发展相关的工艺和制程，典型代表是TSMC、GlobalFoundries、UMC、SMIC等其中，台积电几乎承接了全球大多数高端芯片的代工业务。
OSAT公司：在半导体产业链中还存在专门从事芯片封测业务的公司，通常称为“封测厂”。OSAT模式的典型代表有台湾的日月光、美国的安靠和中国的长电科技。
N.B.
Fablite模式是介于Fabless模式和IDM模式之间的一种经营模式，结合Fabless模式和IDM模式二者的优势，同时兼顾生产效率与产品质量，传统意义上的IDM半导体公司都在逐步向Fablite模式转变。intel也是如此。受代工工艺牵制，intel在给别人代工、积极寻找客户、抗衡合积电的同时，不得不将3nm制程芯片委托给合积电生产。
3 芯片的制造流程

主要的芯片制造流程如下：

3.1 芯片的制造流程——硅片的制造
硅材料根据晶胞的排列方式不同，分为单晶硅和多晶硅。单晶硅和多晶硅最大的区别是单晶硅的晶胞排是有序的，而多晶硅是无序的。
在制造方法方面，多晶硅一般是直接把硅料倒入坩埚中融化，然后再冷却而成。
单晶硅是通过拉单晶的方式形成晶棒（直拉法）。

半导体硅片制造过程
半导体硅片：半导体硅片比光伏硅片的要求更高。首先，半导体行业使用的硅片全部为单晶硅，目的是为了保证硅片每个位臵的相同电学特性。在形状和尺寸上，光伏用单晶硅片是正方形，主要有边长 125mm，150mm，156mm 的种类。而半导体用单晶硅片是圆型，硅片直径有 150mm（6 寸晶圆），200mm（8 寸晶圆）和 300mm（12 寸晶圆）尺寸。在纯度方面，光伏用单晶硅片的纯度要求硅含量为 4N-6N 之间（99.99%-99.9999%），但是半导体用单晶硅片在 9N（99.9999999%）-11N(99.999999999%)左右，纯度要求最低是光伏单晶硅片的 1000 倍。在外观方面，半导体用硅片在表面的平整度，光滑度和洁净程度要比光伏用硅片的要求高。纯度是光伏用单晶硅片和半导体用单晶硅片的最大不同。

3.2 芯片的制造流程——覆膜氧化
氧化过程：氧化过程的作用是在晶圆表面形成保护膜。它可以保护晶圆不受化学杂质影响、避免漏电流进入电路、预防离子植入过程中的扩散以及防止晶圆在刻蚀时滑脱。
涂光刻胶：光刻就是刻的这一层胶，而不是硅片，光线照射后，光刻胶的溶解度会发生变化。

3.3 芯片的制造流程——光掩膜版（光罩）
计算光刻这个领域已经存在了30年之久，随着摩尔定律的继续演进，芯片的继续微缩。

在尺寸非常小时，特征彼此距离更近，通常无法清晰准确地将掩模图案刻到晶圆上。光漫射会影响分辨率，导致图案模糊或失真。计算光刻的作用就是补偿因衍射或光学、抗蚀剂和蚀刻邻近效应而导致的任何图像误差。

1990年刻一个十字型，直接一个十字掩模就行了。传统CPU，5nm需要1万小时，3nm大概需要10万小时。NVIDA的方案：提供cuLitho计算光刻软件库，提高40倍性能，如H100需要89块掩膜板，CPU处理单个掩膜版是两周，GPU是8小时。

3.4 芯片的制造流程——光刻
光刻工艺（英语：photolithography 或 optical lithography，台湾称为微影制程）是半导体器件制造工艺中的一个重要步骤，该步骤利用曝光和显影在光阻层上刻画几何图形结构，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所在衬底上。这里所说的衬底不仅包含硅晶圆，还可以是其他金属层、介质层，例如玻璃、SOS中的蓝宝石。

3.5 芯片的制造流程——刻蚀
刻蚀工艺是光刻（Photo）工艺的下一步，用于去除光刻胶（Photo Resist，PR）未覆盖的底部区域，仅留下所需的图案。这一工艺流程旨在将掩模（Mask）图案固定到涂有光刻胶的晶圆上（曝光→显影）并将光刻胶图案转印回光刻胶下方膜层。

详细的过程如下图。

随着电路的关键尺寸（Critical Dimension, CD）小型化（2D视角），刻蚀工艺从湿法刻蚀转为干法刻蚀，因此所需的设备和工艺更加复杂。由于积极采用3D单元堆叠方法，刻蚀工艺的核心性能指数出现波动，从而刻蚀工艺与光刻工艺成为半导体制造的重要工艺流程之一。

这也是中国制造芯片工艺最少被卡脖子的环节之一。

3.6 芯片的制造流程——沉积&离子注入
电路之间的分隔、连接和保护作用的称为薄膜(Thin film)，在晶圆上加入所需分子或原子单位薄膜 的一系列过程叫做沉积(Deposition)，通过反复进行有选择地去除不必要部分的蚀刻和清洗在半导体芯片构成很多层 (layer)。
沉积的方法大致分为两种,物理气相沉积方法 (Physical Vapor Deposition, PVD)和化学气相 沉积方法(Chemical Vapor Deposition, CVD)目前,半导体工艺主要使用的是化学气相沉积法。
通过沉积工艺形成的薄膜大致分为连接电路间 电信号的金属膜(导电)层和电气分离内部连接 层或切断污染源头的绝缘膜层。

离子注入工艺(lon Implantation)是给硅晶片注入半导体的生命 的过程。
纯半导体由硅素制成,因此它们不能导电,但通过添加杂质,可以使其电流流动,具有导电性。
此时将杂质称为离子(ION),将离子变成微小的气体粒子,均匀地放入晶圆的表面,使其达到想要的深度。

将晶圆转化为半导体的离子注入工程(lon Implantation)
3.7 芯片的制造流程——金属布线工艺
铝是具有代表性的半导体用金属配线材料,是因为它可加工性强,与氧化膜(二氧化硅, Silicon Dixide)的粘附性好。
当铝(Ai)与硅(Si)相遇时,会相互混合，为了防止这种情况的发生, 在铝和晶圓接合面之间进行沉积,增加起到阻挡 (Barrier)作用的金属,称为阻挡金属(Barrier Metal)
金属布线也是通过沉积完成的。将金属放入真空室(Chamber)中,在低压下煮沸或电击时,金属 就会变成蒸气状态。这时,将晶圆放入真空室中,就会形成金属薄膜。
在金属布线工艺中,也正向化学气相沉积(CVD)过渡。

芯片制造就是按照芯片布图，在硅晶圆上逐层制做材料介质层的过程。材料介质层在硅晶圆上叠加在一起，就形成了整个芯片上，乃至整个硅晶圆上所有的电路元器件。它们主要包括晶体管(三极管)、存储单元、二极管、电阻、连线、引脚等。

从材料介质层角度看是纵横交错的线条，这些电路元器件从材料介质层的角度上看是有结构的、立体的。但是，电路元器件是平面分布在硅片上，从电路层角度看是平铺在硅片上的一层电路元器件，在整个硅晶圆上，它们是二维(2D)分布的，是一个平面层。

目前，芯片制造工艺已发展到炉火纯青的地步。为了节省硅片面积，在下面的电路层制作完成之后，可以继续在其上制做另一层电路层，形成两个、甚至多个电路层在硅晶圆上的堆叠，在芯片制造阶段就完成了3D芯片的制造。这样就实现了真正意义上的立体芯片，也简称3D芯片。

据报道，美光最新一代的176层3D NAND将直接取代96层的版本。目前已知的是，美光首批176层3D NAND采用了将双88层融合到一起的设计(堆叠512Gbit TLC闪存)。该芯片技术换用了电荷陷阱存储单元的方案，似乎也极大地降低了每一层的厚度。目前176层的裸片仅为45μm，与美光的64层浮栅3D NAND相同。16层裸片堆叠式封装的厚度不到1.5 mm，适用于大多数移动/存储卡使用场景。

3.8 芯片的制造流程——切单（Singulation）
电路之间的分隔、连接和保护作用的称为薄膜(Thin film)，在晶圆上加入所需分子或原子单位薄膜 的一系列过程叫做沉积(Deposition)，通过反复进行有选择地去除不必要部分的蚀刻和清洗在半导体芯片构成很多层 (layer)。
沉积的方法大致分为两种,物理气相沉积方法 (Physical Vapor Deposition, PVD)和化学气相 沉积方法(Chemical Vapor Deposition, CVD)目前,半导体工艺主要使用的是化学气相沉积法。
通过沉积工艺形成的薄膜大致分为连接电路间 电信号的金属膜(导电)层和电气分离内部连接 层或切断污染源头的绝缘膜层。

离子注入工艺(lon Implantation)是给硅晶片注入半导体的生命 的过程。纯半导体由硅素制成,因此它们不能导电,但通过添加杂质,可以使其电流流动,具有导电性。 此时将杂质称为离子(ION),将离子变成微小的气体粒子,均匀地放入晶圆的表面,使其达到想要的深度。

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