一篇文章說清半導(dǎo)體制程發(fā)展史

　　半導(dǎo)體制造工藝節(jié)點(diǎn)是如何演進(jìn)的?晶體管的架構(gòu)是怎樣發(fā)展成如今模樣的?下面告訴你...

　　首先，技術(shù)節(jié)點(diǎn)是什么意思呢?常聽說的，諸如，臺(tái)積電16nm工藝的Nvidia GPU、英特爾14nm工藝的i5，這個(gè)長(zhǎng)度的含義，具體的定義需要詳細(xì)給出晶體管的結(jié)構(gòu)圖才行，簡(jiǎn)單地說，在早期，可以認(rèn)為是晶體管的尺寸。

　　這個(gè)尺寸很重要，因?yàn)榫w管的作用，簡(jiǎn)單地說，就是把電子從一端(S)，通過一段溝道，送到另一端(D)，這個(gè)過程完成之后，信息的傳遞就完成了。因?yàn)殡娮拥乃俣仁怯邢薜?，在現(xiàn)代晶體管中，一般都是以飽和速度運(yùn)行的，所以需要的時(shí)間基本就由這個(gè)溝道的長(zhǎng)度來決定。越短，就越快。

　　這個(gè)溝道的長(zhǎng)度，和前面說的晶體管的尺寸，大體上可以認(rèn)為是一致的。但是二者有區(qū)別，溝道長(zhǎng)度是一個(gè)晶體管物理的概念，而用于技術(shù)節(jié)點(diǎn)的那個(gè)尺寸，是制造工藝的概念，二者相關(guān)，但是不能完全劃等號(hào)。

　　在微米時(shí)代，這個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字越小，晶體管的尺寸也越小，溝道長(zhǎng)度也就越小。但是在22nm節(jié)點(diǎn)之后，晶體管的實(shí)際尺寸，或者說溝道的實(shí)際長(zhǎng)度，是長(zhǎng)于這個(gè)數(shù)字的。比方說，英特爾的14nm的晶體管，溝道長(zhǎng)度其實(shí)是20nm左右。

　　這里就涉及到三個(gè)問題：

　　第一，為什么要把晶體管的尺寸縮小?以及是按照怎樣的比例縮小的?這個(gè)問題就是在問，縮小有什么好處?

　　第二， 為什么技術(shù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字不能等同于晶體管的實(shí)際尺寸?或者說，在晶體管的實(shí)際尺寸并沒有按比例縮小的情況下，為什么要宣稱是新一代的技術(shù)節(jié)點(diǎn)?這個(gè)問題就是在問，縮小有什么技術(shù)困難?

　　第三， 具體如何縮小?也就是，技術(shù)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展歷程是怎樣的?在每一代都有怎樣的技術(shù)進(jìn)步?在這里我特指晶體管的設(shè)計(jì)和材料。

　　下面盡我所能來回答，歡迎指正。

　　第一個(gè)問題，一部分的答案已經(jīng)說了，因?yàn)樵叫【驮娇?。這個(gè)快是可以直接翻譯為基于晶體管的集成電路芯片的性能上去的。下面以微處理器CPU為例，如下圖所示。

　　上邊這張圖的信息量很大，綠色的點(diǎn)，代表CPU的時(shí)鐘頻率，越高當(dāng)然越快?？梢钥闯鲋钡?004年，CPU的時(shí)鐘頻率基本是指數(shù)上升的，背后的主要原因就是晶體管的尺寸縮小。

　　另外一個(gè)重要的原因是，尺寸縮小之后，集成度(單位面積的晶體管數(shù)量)提升，這有多個(gè)好處，一來可以增加芯片的功能，二來，根據(jù)摩爾定律，集成度提升的直接結(jié)果是成本的下降。

　　這也是為什么半導(dǎo)體行業(yè)50年來如一日地追求摩爾定律的原因，因?yàn)槿绻_(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，你家的產(chǎn)品成本就會(huì)高于能達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)手，你家就倒閉了。

　　還有一個(gè)原因是晶體管縮小可以降低單個(gè)晶體管的功耗，因?yàn)榭s小規(guī)則的要求，同時(shí)會(huì)降低整體芯片的供電電壓，進(jìn)而降低功耗。

　　但也有例外，從物理原理上說，單位面積的功耗并不降低。因此這成為了晶體管縮小的一個(gè)很嚴(yán)重的問題，因?yàn)槔碚撋系挠?jì)算是理想情況，實(shí)際上，不僅不降低，反而是隨著集成度的提高而提高的。

　　2000年前后，人們已經(jīng)預(yù)測(cè)到，根據(jù)摩爾定律的發(fā)展，如果沒有什么技術(shù)進(jìn)步的話，晶體管縮小到2010年前后時(shí)，其功耗密度可以達(dá)到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，這樣的芯片當(dāng)然是不可能正常工作的。即使達(dá)不到這個(gè)水平，溫度太高也會(huì)影響晶體管的性能。

　　事實(shí)上，業(yè)界現(xiàn)在也沒有找到真正徹底解決晶體管功耗問題的方案，實(shí)際的做法是：一方面降低電壓(功耗與電壓的平方成正比)，一方面不再追求時(shí)鐘頻率。因此在上圖中，2005年以后，CPU頻率不再增長(zhǎng)，性能的提升主要依靠多核架構(gòu)。這個(gè)被稱作“功耗墻”，至今仍然存在，所以你買不到5GHz的處理器，4GHz的都幾乎沒有。

　　以上是三個(gè)縮小晶體管的主要誘因?？梢钥闯觯际侵亓考?jí)的提升性能、功能、降低成本的方法，所以業(yè)界才會(huì)一直堅(jiān)持到現(xiàn)在。

　　那么是怎樣縮小的呢?物理原理是恒定電場(chǎng)，因?yàn)榫w管的物理學(xué)通俗的說，是電場(chǎng)決定的，所以只要電場(chǎng)不變，晶體管的模型就不需要改變，這種方式被證明效果最佳，被稱為Dennard Scaling，提出者是IBM。

　　電場(chǎng)等于電壓除以尺寸。既然要縮小尺寸，就要等比降低電壓。

　　如何縮小尺寸?簡(jiǎn)單粗暴：將面積縮小到原來的一半就好了。面積等于尺寸的平方，因此尺寸就縮小大約0.7。如果看一下晶體管技術(shù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字：

　　130nm 90nm 65nm 45nm 32nm 22nm 14nm 10nm 7nm (5nm)

　　會(huì)發(fā)現(xiàn)是一個(gè)大約以0.7為比的等比數(shù)列?，F(xiàn)在，這只是一個(gè)命名的習(xí)慣，跟實(shí)際尺寸已經(jīng)有差距了。

　　第二個(gè)問題，為什么現(xiàn)在的技術(shù)節(jié)點(diǎn)不再直接反應(yīng)晶體管的尺寸呢?

　　原因也很簡(jiǎn)單，因?yàn)闊o法做到這個(gè)程度的縮小了。有三個(gè)主要原因：

　　首先，原子尺度的計(jì)量單位是埃，為0.1nm。

　　10nm的溝道長(zhǎng)度，也就只有不到100個(gè)硅原子而已。未來晶體管物理模型是這樣的：用量子力學(xué)的能帶論計(jì)算電子的分布，但是用經(jīng)典的電流理論計(jì)算電子的輸運(yùn)。

　　電子在分布確定之后，仍然被當(dāng)作一個(gè)粒子來對(duì)待，而不是考慮它的量子效應(yīng)。因?yàn)槌叽绱?，所以不需要。但是越小，就越不行，就需要考慮各種復(fù)雜的物理效應(yīng)。

　　其次，即使用經(jīng)典的模型，性能上也出了問題，這個(gè)叫做短溝道效應(yīng)，其效果是損害晶體管的性能。

　　短溝道效應(yīng)其實(shí)很好理解，通俗地講，晶體管是一個(gè)三個(gè)端口的開關(guān)，其工作原理是把電子從一端(源端)送到另一端(漏端)，這是通過溝道進(jìn)行的，另外還有一個(gè)端口(柵端)的作用是，決定這條溝道是打開的，還是關(guān)閉的。這些操作都是通過在端口上加上特定的電壓來完成的。

　　晶體管性能依賴的一點(diǎn)是，必須要打得開，也要關(guān)得緊。短溝道器件，打得開沒問題，但是關(guān)不緊，原因就是尺寸太小，內(nèi)部有很多電場(chǎng)上的互相干擾，以前都是可以忽略不計(jì)的，現(xiàn)在則會(huì)導(dǎo)致柵端的電場(chǎng)不能夠發(fā)揮全部的作用，因此關(guān)不緊。關(guān)不緊的后果就是有漏電流，簡(jiǎn)單地說就是不需要、浪費(fèi)的電流。

　　可不能小看這部分電流，因?yàn)榇藭r(shí)晶體管是在休息，沒有做任何事情，卻在白白地耗電。目前，集成電路中的這部分漏電流導(dǎo)致的能耗，已經(jīng)占到了總能耗的近50%，所以也是目前晶體管設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)的一個(gè)最主要的難題。

　　第三，制造工藝也越來越難做到那么小的尺寸了。

　　決定制造工藝的最小尺寸的，叫做光刻機(jī)。它的功能是，把預(yù)先印制好的電路設(shè)計(jì)，像洗照片一樣洗到晶片表面上去，在我看來就是一種bug級(jí)的存在，因?yàn)橥掏侣史浅５馗摺７駝t那么復(fù)雜的集成電路，如何才能制造出來呢?比如英特爾的奔騰4處理器，據(jù)說需要30~40多張不同的設(shè)計(jì)模板，先后不斷地曝光，才能完成整個(gè)處理器的設(shè)計(jì)印制。

　　但是光刻機(jī)，顧名思義，是用光的，當(dāng)然不是可見光，但總之是光。

　　而稍有常識(shí)就會(huì)知道，所有用光的東西，都有一個(gè)問題，就是衍射。光刻機(jī)也不例外。

　　因?yàn)檫@個(gè)問題的制約，任何一臺(tái)光刻機(jī)所能刻制的最小尺寸，基本上與它所用的光源的波長(zhǎng)成正比。波長(zhǎng)越小，尺寸也就越小，這個(gè)道理是很簡(jiǎn)單的。

　　目前的主流生產(chǎn)工藝采用荷蘭艾斯摩爾生產(chǎn)的步進(jìn)式光刻機(jī)，所使用的光源是193nm的氟化氬(ArF)分子振蕩器產(chǎn)生的，被用于最精細(xì)尺寸的光刻。