解析半導(dǎo)體工藝節(jié)點的演進 尋找摩爾定律的曙光

　　01 摩爾定律下的工藝節(jié)點的形成

　　1958年，美國德州儀器公司的工程師杰克·基爾比制成了世界上第一片集成電路，1962年，德州儀器公司建成世界上第一條商業(yè)化集成電路生產(chǎn)線。此后，在市場需求的驅(qū)動下，集成電路發(fā)展成為一個龐大的產(chǎn)業(yè)，從小規(guī)模集成電路(SSI)到中規(guī)模集成電路(MSI)、再到大規(guī)模集成電路(LSI)，一直到現(xiàn)在的超大規(guī)模集成電路(VLSI)。集成度被看作是描述集成電路工藝先進程度的一個重要指標(biāo)，通常用晶體管數(shù)目來表示集成度高低，一個芯片里含有的晶體管數(shù)目越多，芯片的功能也就越強。因此，集成電路的規(guī)模反映了集成電路的先進程度。

　　集成度的提高，不僅意味著單個晶體管的尺寸縮小了，同時也意味著采用了更加先進的制造工藝，因為晶體管尺寸與制造工藝之間有著密切的聯(lián)系。可以說，集成電路技術(shù)的發(fā)展過程，就是把晶體管尺寸做得越來越小的過程。九十年代的大規(guī)模集成電路普遍采用的是微米級工藝，筆者在上世紀(jì)90年代初做設(shè)計時就是采用5微米和3微米標(biāo)準(zhǔn)單元庫，這也是那個年代的主流工藝(晶圓尺寸是3英寸和4英寸)。二十多年過去了，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到納米級工藝了，中芯國際去年實現(xiàn)量產(chǎn)的28納米工藝，比起3微米工藝，尺寸縮小了100多倍。

　　這些工藝演進的背后，是更多金錢的投入。因為更小的尺寸意味著對設(shè)計和制造設(shè)備以及芯片材料等都有更為苛刻的要求，為了克服技術(shù)門檻，芯片企業(yè)每年需要投入數(shù)億、數(shù)十億美元的研發(fā)經(jīng)費，不知有多少世界一流的科學(xué)家和工程師都參與了這一耗資巨大的芯片微縮化工程。

　　那么5微米、3微米、以及90納米、28納米等等這些“節(jié)點”是怎樣形成的呢?可以說這是描述摩爾定律進程的一個指標(biāo)。摩爾定律說，半導(dǎo)體芯片每一年半(后來改為兩年)，其集成度翻一番，并伴隨著性能的增長和成本的下降。怎樣描述這個集成度呢?這就有了工藝“節(jié)點”的說法。即工藝節(jié)點數(shù)值越小，表征芯片的集成度就越高。這些數(shù)值也被《國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖(ITRS)》用來劃分半導(dǎo)體工藝的階段(也稱工藝代)，或描述芯片的先進性。

　　這里有必要解釋這些數(shù)值表示的是什么尺寸。例如28nm工藝，這里的28nm是指晶體管柵極的最小線寬(柵寬)。實際設(shè)計中除了柵極，其他的設(shè)計尺寸一般都大于工藝節(jié)點的尺寸，例如晶體管之間的金屬連線寬度、有源區(qū)寬度等。

　　▲ 圖一 與非門、或門的版圖

　　圖一是個例子。在這個與非門和或非門的版圖里，白的是襯底層，紅的是多晶硅層，藍的是金屬層。這其中只有紅的多晶硅柵極的最小線寬是可以達到28nm的，其他一切尺寸都是要大于28nm。具體各層線寬的最小值需要看該工藝的設(shè)計規(guī)則(Design Rull)。

　　為什么用柵極線寬而不是其他的線寬來表征工藝節(jié)點，這是因為柵極寬度一般是整個設(shè)計中最重要的參數(shù)。在CMOS電路中，MOS晶體管最主要的功能就是通過柵極控制源漏之間的電流。這個電流受很多因素影響，例如晶體管遷移率、絕緣層電容，還有各種效應(yīng)等，這些都與半導(dǎo)體工藝有關(guān)，工藝定了設(shè)計很難改變。一般情況下唯一可以設(shè)計的參數(shù)就是溝道寬長比，溝道寬長比就是晶體管柵極的長寬比(長溝器件可以直接近似，短溝器件要加修正項)。也就是說在電壓一樣的情況下，柵極越寬，溝道就越長，源漏電流就越小。

　　所以在設(shè)計中，溝道越短，意味著晶體管的尺寸越小，單位面積可以存放的晶體管數(shù)量就越多，芯片集成度就越高;換一種說法是設(shè)計出來的芯片面積就越小，芯片的價格就越便宜。當(dāng)然這是在只考慮生產(chǎn)成本，不考慮NRE費用的前提下。

　　▲ 圖二 NVIDIA GTX580(40nm工藝) 與 GTX680(28nm工藝)的對比

　　從圖二，我們看到Geforce GTX 680雖然晶體管數(shù)目比GTX 580多，但是芯片面積卻只有后者的一半多一點，這就是從40nm制程工藝進化到28nm的好處。

　　有一個例外是DRAM 電路，在DRAM存儲單元中，該特征尺寸不是指柵寬，而是指金屬連線所允許的最小間距的一半。概括來說，它描述了該工藝代下加工尺寸的精確度。它并非一定指半導(dǎo)體器件中某一具體結(jié)構(gòu)的特征尺寸，而是一類可以反映出加工精度的尺寸的平均值。它最直觀地反映出：集成電路通過微電子制造工藝加工生產(chǎn)能達到更大的集成密度。

　　02 工藝節(jié)點進步可帶來功耗進一步減少

　　工藝節(jié)點的進步也帶來了理論上功耗的降低。因為晶體管縮小可以降低單個晶體管的功耗，因為按照等比例縮小的規(guī)則，柵壓(Vds)會減小，柵壓減小會降低整體芯片的供電電壓，進而降低功耗。

　　但是從物理原理上說，隨著工藝節(jié)點的進步芯片的單位面積功耗并不跟著降低。因此這成為了晶體管縮小的一個嚴(yán)重障礙，因為理論上的計算是理想情況，實際上，芯片的功耗會隨著集成度的提高而提高。在2000年左右的時候，人們已經(jīng)預(yù)測，根據(jù)摩爾定律的發(fā)展(晶體管)繼續(xù)縮小下去，假如沒有什么技術(shù)進步的話，10多年后，其功耗密度可以達到火箭發(fā)動機的水平，這樣的芯片是不可能正常工作的。即使達不到這個水平，溫度太高也會影響晶體管的性能。

　　事實上，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，現(xiàn)在的做法是一方面降低電壓(功耗與電壓的平方成正比)，一方面不再追求時鐘頻率。因此在2005年以后，CPU頻率不再增長，性能的提升主要依靠多核架構(gòu)。這個被稱作“功耗墻”?！肮膲Α钡拇嬖谑沟镁w管的縮小不能再任意下去。

　　03 半導(dǎo)體制造對工藝節(jié)點的影響

　　在微米時代，工藝節(jié)點可以看作是與晶體管的柵寬(溝道長度)劃等號。工藝節(jié)點的數(shù)字越小，溝道長度也越小，晶體管的尺寸也越小。但是在22nm節(jié)點之后，情況有了變化。晶體管的實際尺寸，或者說溝道的實際長度，不一定與這個節(jié)點相等。比方說，英特爾的14nm工藝的晶體管，溝道長度其實是20nm。這是為什么呢?

　　這要從硅原子談起。硅原子直徑是納米級的，硅原子半徑為110皮米，也就是0.11納米，直徑0.22nm。如果把晶體管的溝道縮小到10nm，就意味著大約是45個硅原子排在一起的長度(不考慮原子間距的情況下)，這時在經(jīng)典物理理論下的晶體管的電流模型已不再適用。用經(jīng)典的電流理論計算電子的傳輸，電子在分布確定之后，仍然被當(dāng)作一個粒子來對待，而不考慮它的量子效應(yīng)。因為尺寸大不需要。但是越小就不行了，就需要考慮它的各種復(fù)雜的物理效應(yīng)。

　　其次，一種叫做“短溝道效應(yīng)”的現(xiàn)象也會對晶體管的性能帶來影響，“短溝道效應(yīng)”帶來的直接損害是柵極電壓不能有效關(guān)閉晶體管，導(dǎo)致漏電流產(chǎn)生，浪費大量功耗。這部分漏電不能小看，“短溝道效應(yīng)”引起的這部分漏電流導(dǎo)致的能耗，可以占到總能耗的一半。

　　另一個制造工藝的極限是由制造設(shè)備帶來的，具體來說就是光刻機的分辨率制約。光刻機的分辨率與光源有關(guān)系，光源的聚焦性能越好，分辨率越高，能夠刻出的線條就越細。在250nm工藝以前的光刻工藝使用的是汞燈光源，為了提高分辨率，從180nm開始采用波長為248nm的KrF激光作為曝光光源，130nm和90nm工藝采用波長為193nm的ArF激光光源，從65nm工藝開始采用波長更短的激光光源。