“芯”潮澎湃 揭秘集成電路的“廬山真面目”

　　6、集成電路產(chǎn)業(yè)的分類

　　集成電路產(chǎn)業(yè)依照不同的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)性質(zhì)，又可以分成專業(yè)代工廠(Foundry)、與整合組件制造商(IDM)，分別有不同的產(chǎn)業(yè)技術(shù)能力與重要性，要了解集成電路產(chǎn)業(yè)的特性，就必須先了解集成電路產(chǎn)業(yè)的分類，以下分別討論這兩種不同廠商的特性。

　　專業(yè)代工廠(Foundry)：制造商依照客戶需求，為客戶代工生產(chǎn)符合客戶要求的產(chǎn)品，之后掛上客戶的商標(biāo)品牌，由客戶自行銷售。例如：臺(tái)灣的臺(tái)積電、聯(lián)華電子、新加坡的特許、大陸的中芯等半導(dǎo)體公司。一般IC設(shè)計(jì)公司會(huì)下單給專業(yè)工代廠，是基于節(jié)省生產(chǎn)成本和部份管銷費(fèi)用成本為主要考慮，特別是集成電路(IC)的圓晶廠，投資金額動(dòng)輒上百億，并非一般的IC設(shè)計(jì)公司可以負(fù)擔(dān)得起，因此交由專業(yè)代工廠可以節(jié)省許多制造研發(fā)的成本，轉(zhuǎn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)的工作。

　　整合組件制造商(IDM：Integrated Device Manufacturer)：制造商從設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、封裝到銷售自有品牌產(chǎn)品都一手包辦的垂直整合型公司，通常都是國(guó)外大廠，例如：德州儀器(Texas Instruments)、英特爾(Intel)、摩托羅拉Motorola、三星Samsung、日本電子NEC、東芝Toshiba等公司。

　　值得注意的是，最早擁有晶圓廠的正是這些國(guó)際級(jí)的IDM大廠，臺(tái)積電是全球第一家晶圓代工廠，早期并沒(méi)有所謂的IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)，因?yàn)镮C設(shè)計(jì)公司就算畫好設(shè)計(jì)圖也找不到晶圓廠替他們代工生產(chǎn)，直到臺(tái)積電成立以后，將晶圓制造變成一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)，稱為晶圓代工廠，才造就了許多成功的IC設(shè)計(jì)公司。

　　IDM與Foundry哪個(gè)比較有優(yōu)勢(shì)?

　　2000年以前由于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體(例如DVD)、無(wú)線通訊(例如2G)的快速發(fā)展，全球集成電路產(chǎn)品持續(xù)成長(zhǎng)而供不應(yīng)求，造成晶圓代工廠產(chǎn)能滿載，IC設(shè)計(jì)公司的產(chǎn)品上市常常受制于晶圓廠，產(chǎn)品制作常常費(fèi)時(shí)一年以上，不幸的是集成電路的產(chǎn)品生命周期很短，等一年以后產(chǎn)品才能上市，可能已經(jīng)過(guò)時(shí)而要被淘汰了。所以有些規(guī)模較小設(shè)計(jì)公司也嘗試自建晶圓廠，所以景氣好的時(shí)候，有晶圓廠的IC設(shè)計(jì)公司可以掌握自己的產(chǎn)品，不過(guò)份依賴晶圓代工廠，如果產(chǎn)能被別人掌握，只要分不到產(chǎn)能，產(chǎn)品就不能準(zhǔn)時(shí)上市，因此自建晶圓廠不失為一個(gè)好方法。

　　但是2000年以后，網(wǎng)絡(luò)泡沫化，全球集成電路產(chǎn)品需求持續(xù)下滑而供過(guò)于求，造成晶圓代工廠產(chǎn)能閑置，以往IC設(shè)計(jì)公司的產(chǎn)品受制于晶圓廠的現(xiàn)象已經(jīng)不存在，因此自建晶圓廠的必要性并不大，而且一但加入了IC制造產(chǎn)業(yè)，則每年必須支出龐大的制造研發(fā)成本，這筆費(fèi)用動(dòng)輒數(shù)百億，會(huì)嚴(yán)重影響IC設(shè)計(jì)研發(fā)的支出而使公司顧此失彼，2004年臺(tái)灣矽統(tǒng)科技將晶圓廠賣給聯(lián)華電子公司，同樣的，超微半導(dǎo)體(AMD)當(dāng)初也做出了重要決定，將晶圓廠剝離與中東土豪合資成立專業(yè)代工廠格羅方德半導(dǎo)體(GLOBALFOUNDRIES)。因此，IC設(shè)計(jì)公司自建晶圓廠有利有弊，必須衡量公司的財(cái)務(wù)狀況，以及公司未來(lái)的營(yíng)運(yùn)規(guī)劃，才能做出最合適的決定，因此，未來(lái)IC產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)就是分工與降低風(fēng)險(xiǎn)，晶圓代工集中化會(huì)越來(lái)越明顯，除非有品牌或是廣闊的出海口，否則整合組件制造商(IDM)將越來(lái)越少。

　　7、閘極線寬長(zhǎng)度為什么重要?

　　40nm，28nm，10nm，7nm到3納米，何時(shí)才是極限?

　　數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)的最底層為晶體管，也就是組成集成電路的最小單位，晶體管的種類很多，目前在數(shù)字集成電路中均是使用CMOS，一個(gè)數(shù)字集成電路上可能含有數(shù)百萬(wàn)個(gè)CMOS，「晶體管(CMOS)」就好像生物體中的「細(xì)胞」一樣。要了解閘極線寬的重要性，我們先來(lái)了解下 MOSFET。

　　什么是MOSFET?

　　MOSFET 的全名是“金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)”，前面灰色的區(qū)域(硅)叫做“源極(Source)”，后面灰色的區(qū)域(硅)叫做“汲極(Drain)”，中間有塊金屬(綠色)突出來(lái)叫做“閘極(Gate)”，閘極下方有一層厚度很薄的氧化物(黃色)，中間由上而下依序?yàn)榻饘?Metal)、氧化物(Oxide)、半導(dǎo)體(Semiconductor)。

　　MOSFET 的工作原理與用途

　　MOSFET 的工作原理很簡(jiǎn)單，電子由左邊的源極流入，經(jīng)過(guò)閘極下方的電子通道，由右邊的汲極流出，中間的閘極則可以決定是否讓電子由下方通過(guò)，有點(diǎn)像是水閘的開(kāi)關(guān)一樣，因此稱為“閘”;電子是由源極流入，也就是電子的來(lái)源，因此稱為“源”;電子是由汲極流出，：汲者，引水于井也，也就是由這里取出電子，因此稱為“汲”。

　　▲MOSFET工作原理

　　當(dāng)閘極不加電壓，電子無(wú)法導(dǎo)通，代表這個(gè)位是 0，當(dāng)閘極加正電壓，電子可以導(dǎo)通，代表這個(gè)位是 1，CMOS晶體管的工作原理為在閘極施予一固定電壓，使通道形成，電流即可通過(guò)。在數(shù)位電路中，藉由電流通過(guò)與否，便可代表邏輯的1或0。

　　MOSFET 是目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最常使用的一種場(chǎng)效電晶體(FET)，科學(xué)家將它制作在硅晶圓上，是數(shù)位訊號(hào)的最小單位，一個(gè) MOSFET 代表一個(gè) 0 或一個(gè) 1，就是電腦里的一個(gè)“位(bit)”。電腦是以 0 與 1 兩種數(shù)碼訊號(hào)來(lái)運(yùn)算;在硅芯片上有數(shù)十億個(gè) MOSFET，就代表數(shù)十億個(gè) 0 與 1，再用金屬導(dǎo)線將這數(shù)十億個(gè) MOSFET 的源極、汲極、閘極鏈接起來(lái)，電子訊號(hào)在這數(shù)十億個(gè) 0 與 1 之間流通就可以交互運(yùn)算，最后得到使用者想要的加、減、乘、除運(yùn)算結(jié)果，這就是計(jì)算機(jī)的基本工作原理。晶圓廠像臺(tái)積電、聯(lián)電與中芯，就是在硅晶圓上制作數(shù)十億個(gè) MOSFET 的工廠。

　　閘極線寬：半導(dǎo)體制程進(jìn)步的關(guān)鍵

　　在 MOSFET 中，“閘極線寬長(zhǎng)度(Gate length)”大約 10 納米，是所有構(gòu)造中最細(xì)小也最難制作的，因此我們常常以閘極長(zhǎng)度來(lái)代表半導(dǎo)體制程的進(jìn)步程度，這就是所謂的“制程線寬”。閘極線寬長(zhǎng)度會(huì)隨制程技術(shù)的進(jìn)步而變小，從早期的 0.18 微米、0.13 微米，進(jìn)步到 90 納米、65 納米、45 納米、28 納米，到目前最新制程 10 納米。當(dāng)閘極線寬長(zhǎng)度愈小，則整個(gè) MOSFET 就愈小，而同樣含有數(shù)十億個(gè) MOSFET 的芯片就愈小，封裝以后的集成電路就愈小，最后做出來(lái)的手機(jī)就愈小!10 納米到底有多小呢?細(xì)菌大約 1 微米，病毒大約 100 納米，換句話說(shuō)，人類現(xiàn)在的制程技術(shù)可以制作出只有病毒 1/10(10 納米)的結(jié)構(gòu)，是不是有點(diǎn)無(wú)法想象?

　　▲臺(tái)積電未來(lái)技術(shù)路線進(jìn)度表

　　線寬越窄所遇到的瓶頸與解決的方法

　　集成電路在線寬小于28nm的時(shí)候，有兩個(gè)非常重要的制程技術(shù)HKMG與FinFET：

　　HKMG(高介電常數(shù)金屬閘極High K Metal Gate，K is permittivity or dielectric constant )

　　外加電場(chǎng)于兩個(gè)平行金屬板，中間如果放入絕緣材料，材料內(nèi)部也會(huì)形成電場(chǎng)，外電場(chǎng)與內(nèi)部電場(chǎng)的比值，稱為介電常數(shù)，兩個(gè)金屬板極化電荷越多，抵消外電場(chǎng)能力越強(qiáng)，內(nèi)電場(chǎng)越小，介電常數(shù)就越大，同樣的電容就越大。

　　介電常數(shù)是衡量一個(gè)介質(zhì)束縛電荷的能力，也可表征材料的絕緣性能，介電常數(shù)越大，束縛電荷的能力越強(qiáng)，材料的絕緣性能越好，其定義就是材料介電常數(shù)越高說(shuō)明電極化越強(qiáng)，外電場(chǎng)削弱越厲害。當(dāng)然在電極化無(wú)窮大的情況，實(shí)際上電子就自由了，此時(shí)外場(chǎng)被完全抵消，也就是電屏蔽，此時(shí)介電常數(shù)正無(wú)窮大，材料實(shí)際上就是導(dǎo)體了，所以這也是為什么在電梯里面手機(jī)收不到電磁波訊號(hào)的原因。

　　為什么要用高介電常數(shù)的材料?半導(dǎo)體前段制程的挑戰(zhàn)，不外乎是不斷微縮閘極線寬，在固定的單位面積之下增加電晶體數(shù)目，半導(dǎo)體制程一直在挑戰(zhàn)極限，隨著閘極線寬縮小，氧化層厚度跟著縮減，導(dǎo)致絕緣效果降低，使得漏電流成為令業(yè)界困擾不已的副作用，利用高介電常數(shù)材料來(lái)增加電容值，就可以達(dá)到降低漏電流的目的，半導(dǎo)體制造業(yè)者在28納米制程節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入的高介電常數(shù)金屬閘極(High-kMetalGate，HKMG)，即是利用高介電常數(shù)材料來(lái)增加電容值，以達(dá)到降低漏電流的目的。

　　FinFET(鰭式場(chǎng)效電晶體Fin Field Effect Transistor，F(xiàn)inFET)

　　根據(jù)增加氧化物絕緣層電容達(dá)到在線寬縮小之后減低漏電的理論，增加絕緣層的表面積亦是一種改善漏電流現(xiàn)象的方法。鰭式場(chǎng)效電晶體(Fin Field Effect Transistor，F(xiàn)inFET)即是藉由增加絕緣層的表面積來(lái)增加電容值，降低漏電流以達(dá)到降低功耗的目的，F(xiàn)inFET將過(guò)去的平面式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為立體式結(jié)構(gòu)，增加對(duì)閘極的控制能力，這項(xiàng)技術(shù)據(jù)說(shuō)可以將摩爾定律延長(zhǎng)到2022年。

　　▲FinFET技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖與TEM顯微鏡截面圖