半導(dǎo)體：新產(chǎn)品迭出 新技術(shù)紛呈

全球進(jìn)入65納米時(shí)代

　　2006年隨著65納米工藝的成熟，英特爾公司65納米生產(chǎn)線步入大批量生產(chǎn)階段。除英特爾外，美國(guó)德州儀器、韓國(guó)三星、日本東芝等世界上重要的半導(dǎo)體廠商的65納米生產(chǎn)線也紛紛投產(chǎn)。

　　在65納米工藝上，IBM等公司開發(fā)出了快速CMOS技術(shù)。他們采用了SiGe的應(yīng)變硅技術(shù)和SiN薄層，使所開發(fā)的nMOS晶體管的驅(qū)動(dòng)電流為1.259mA/μm，pMOS晶體管的驅(qū)動(dòng)電流為0.735mA/μm。該快速M(fèi)OS晶體管的漏電流在斷開狀態(tài)下僅為200pA/μm。除應(yīng)變硅技術(shù)外，還采用了先進(jìn)的10層布線技術(shù)和介電常數(shù)為2.75的低K材料作為層間絕緣膜。

　　美國(guó)AMD公司和IBM公司聯(lián)合開發(fā)了采用應(yīng)變硅技術(shù)的晶體管。當(dāng)應(yīng)用于AMD公司Athlon64微處理器時(shí)，其nMOS管的驅(qū)動(dòng)電流增加了32%，pMOS管驅(qū)動(dòng)電流增加了53%。在nMOS管部分采用了具拉伸力的應(yīng)變硅，在pMOS管部分采用了SiGe。美國(guó)Intel公司開發(fā)出低功耗的65納米工藝。其微處理器在1.2V驅(qū)動(dòng)時(shí)，漏電流僅為100pA/μm。其中nMOS管的漏極電流為0.66mA/μm，pMOS管的漏極電流為0.38mA/μm。其SRAM存儲(chǔ)器的待機(jī)漏電流僅為常規(guī)SRAM的千分之一。這是由于增大了柵氧化層的厚度和增長(zhǎng)了柵極長(zhǎng)度。

　　Intel公司利用65納米工藝還制作出了Pentium4的9GHz的整數(shù)運(yùn)算器，與上一代產(chǎn)品相比，增加了一倍工作頻率，降低了1/2的功耗并縮短了延遲時(shí)間。

　　另外,IBM公司利用異晶向技術(shù)開發(fā)出65納米快速CMOS工藝。其在硅110面形成pMOS晶體管，在硅100晶面上形成nMOS管。由于110面的空穴遷移率高，從而使pMOS管的驅(qū)動(dòng)電流提高了35%。

　　美國(guó)IBM還開發(fā)出了基于65nm工藝的SOI襯底的混載DRAM技術(shù)。所開發(fā)的混載DRAM的存儲(chǔ)單元面積為0.127平方微米，DRAM的電容器采用了溝道型結(jié)構(gòu)。電源電壓為1V。試制芯片的評(píng)測(cè)結(jié)果為，DRAM的響應(yīng)時(shí)間不到1.5ns，存取周期不到2ns，性能在業(yè)界領(lǐng)先。

　　有機(jī)和生物半導(dǎo)體進(jìn)展快

　　美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究人員已開發(fā)成功由有機(jī)半導(dǎo)體制成的嗅覺傳感器。其能準(zhǔn)確分辨乙醇和醋酸，因此可用于葡萄酒的品質(zhì)管理。芬蘭飛利浦公司利用有機(jī)晶體管制成在13.56MHz頻段工作的電子標(biāo)簽,其中使用了1938個(gè)有機(jī)晶體管。

　　日本東京大學(xué)和神戶大學(xué)合作開發(fā)出采用有機(jī)晶體管的SRAM存儲(chǔ)器。通過控制有機(jī)晶體管的背柵(back gate)，可補(bǔ)償性能的降低并提高工作速度和可靠性。該存儲(chǔ)器配合離子導(dǎo)電的聚合式制動(dòng)器可用于平板顯示器。

　　以光刻工藝為代表的硅半導(dǎo)體技術(shù)即將面臨發(fā)展的極限。目前利用蛋白質(zhì)制作平板顯示器所用的薄膜晶體管和利用DNA制作傳感器等生物半導(dǎo)體技術(shù)異軍突起。進(jìn)而，融生物技術(shù)與納米技術(shù)于一體，將其應(yīng)用于電子領(lǐng)域的“納米生物技術(shù)”的應(yīng)用也日益受到關(guān)注。

　　2006年3月在日本召開的學(xué)術(shù)會(huì)議上，日立制作所和松下電器公司的技術(shù)人員介紹了使用蛋白質(zhì)和DNA(脫氧核糖核酸)等納米生物材料，利用材料自身具有的“自組裝”和形成相同圖案的“復(fù)制與生長(zhǎng)”等特性，創(chuàng)作新型的電子器件,將生物技術(shù)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域包括“向生物學(xué)習(xí)”和“模仿生物”等手法。日本大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科技研究所的田仁指出，向生物學(xué)習(xí)是利用納米生物材料具有的自組裝和復(fù)制與生長(zhǎng)等特性，制作電子器件。而模仿生物則是指利用電子器件對(duì)生物納米材料所構(gòu)成的生物功能進(jìn)行分析的技術(shù)。由日本奈良尖端科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院與松下電器產(chǎn)業(yè)共同組成的研究小組，提出了使用蛋白質(zhì)制作驅(qū)動(dòng)平板顯示器的薄膜晶體管和非揮發(fā)性內(nèi)存的技術(shù)。他們將含有金屬微粒的蛋白質(zhì)溶液涂布到玻璃和硅襯底上之后，金屬微粒就會(huì)通過自組裝按照基本固定的間隔進(jìn)行排列。前者使用除去蛋白質(zhì)的金屬微粒，作為硅結(jié)晶的生長(zhǎng)核,而后者則將嵌入硅氧化膜中的金屬微粒作為電荷的累積層。日本早稻田大學(xué)的研究小組將有希望用于高頻器件的鉆石作原料，制成場(chǎng)效應(yīng)晶體管，然后將其作為檢測(cè)DNA的生物傳感器。據(jù)該論文介紹，使用鉆石與使用硅的現(xiàn)有DNA傳感器相比，能夠?qū)沤^緣膜做得更薄，從而提高檢測(cè)靈敏度。

　　多核芯片普遍問世

　　多核的出現(xiàn)為降低器件功耗開拓了一條新路。采用雙核和多核結(jié)構(gòu)后，可適當(dāng)降低微處理器的工作速度，即時(shí)鐘頻率。另外可通過加大柵極長(zhǎng)度和采用更高的閾值降低器件的漏電流。

　　目前多核結(jié)構(gòu)分為兩種,一種是對(duì)稱式的，另一種是非對(duì)稱的。對(duì)稱的雙核結(jié)構(gòu)，可將雙核的外部總線連在一起。而非對(duì)稱的是將各核總線通過環(huán)路進(jìn)行連接。前者的代表為Intel的雙核處理器，后者的代表為IBM的Cell處理器。

　　由于AMD公司在多核總線的連接上采用了應(yīng)用高速緩存Cache的Crossbar技術(shù)，相對(duì)于Intel第一代雙核處理器的總線連接具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

　　Sun微系統(tǒng)公司的微處理器開發(fā)代碼為Niagara，其有8個(gè)核，能同時(shí)支持32個(gè)線程，工作頻率為1.2GHz，可用于服務(wù)器。Cavium網(wǎng)絡(luò)公司的微處理器有16個(gè)RISC核，集成了1.8億個(gè)晶體管，其工作頻率為600MHz，擁有網(wǎng)絡(luò)安全功能。另外采用9層銅引線技術(shù)，引線之間用FSG作為絕緣材料，在600MHz下運(yùn)行時(shí)，功耗為25W。IBM的PowerPC970MP為雙芯結(jié)構(gòu)，其采用微處理器三維辨識(shí)圖像SIMP技術(shù)，可監(jiān)測(cè)處理器的溫度和電能供應(yīng)。2006年8月，IBM開始在市場(chǎng)上出售基于Power結(jié)構(gòu)的4核處理器。11月中旬，Intel公司推出了其第1款4核處理器。

　　美國(guó)IBM正在開發(fā)擁有1000個(gè)核的微處理器，其處理能力為多核處理器的10倍，而功耗僅為其1/4。這種處理器可用于手機(jī)等設(shè)備，支持其收看長(zhǎng)時(shí)段的高清電視。預(yù)計(jì)于2007年市售。IBM的這種微處理器是與位于硅谷的創(chuàng)新企業(yè)拉波特公司合作開發(fā)的,其特點(diǎn)是每個(gè)核的功耗非常低，集成有上千個(gè)核的芯片與傳位芯片的大小相當(dāng)。2006年4月IBM和拉波特公司已推出256核的多核處理器,其單核處理器僅處理8位數(shù)據(jù)，主頻為125MHz，功耗不足1W。

　　日本東京大學(xué)11月發(fā)布了GRAPE-DR處理器及芯片組。GRAPE-DR為一顆數(shù)字協(xié)處理器，有512個(gè)核，晶體管數(shù)約為3億個(gè)。512核的GRAPE-DR處理器在實(shí)驗(yàn)中達(dá)到500MHz與每秒5120億次浮點(diǎn)(512Gflops)的運(yùn)算能力，最大功耗60W，每消耗1W電力可得到8.5Gflops的運(yùn)算效果。

　　多核處理器還有：IBM的Power5和開發(fā)中的64位結(jié)構(gòu)Power6，Cavium網(wǎng)絡(luò)公司的多核處理器，RMI公司的多核MIPS處理器，Sun微系統(tǒng)公司的Ultra SPARC IV。Apple公司也在開發(fā)尚未公布細(xì)節(jié)的多核處理器。

　　技術(shù)新突破正在醞釀中

　　Intel公司首席技術(shù)官J.R.Rattner先生稱，相關(guān)軟件的開發(fā)成為制約微處理器進(jìn)展的瓶頸。在2010年8核的Intel微處理器將問世。而多核處理器的運(yùn)行離不開多個(gè)“線程”，這就要求有相應(yīng)的軟件。在程序語(yǔ)言、調(diào)試程序、分析器和軟件庫(kù)等方面均需做出重大改進(jìn)，以形成適應(yīng)這么多線程的使用環(huán)境。據(jù)Rattner先生講，相應(yīng)的軟件開發(fā)要耗時(shí)10年才能完善。一個(gè)新微處理器的開發(fā)往往需要4年的時(shí)間。而研究人員甚至在10年之前就在進(jìn)行相應(yīng)的探討。Intel公司目前已在布局2015年微處理器的開發(fā)。

　　隨著集成電路的線寬由90納米、65納米、45納米乃至向32納米縮小，半導(dǎo)體工藝會(huì)迎來一系列挑戰(zhàn)。在90納米的開發(fā)中，漏電流成為第一道攔路虎。于是各大半導(dǎo)體廠商各顯神通，紛紛降低器件功耗。在降低器件工作電壓時(shí)，遇到了MOS晶體管閥值無法進(jìn)一步降低的難關(guān)。如果一味降低工作電壓，則影響到器件的運(yùn)行速度。這些相互制約的因素影響了器件性能的進(jìn)一步提高。

　　目前半導(dǎo)體器件的開發(fā)已分為兩條路,一條是專攻提高運(yùn)行速度,另一條是著重于降低功耗。例如，IBM及日本東芝和索尼公司聯(lián)合開發(fā)的Cell微處理器就有用于電視機(jī)的高速版和用于手機(jī)的低功耗版，這應(yīng)了一句俗話：甘蔗不能兩頭甜。

　　為了提高工作速度，各廠商紛紛采用應(yīng)變硅技術(shù)和三維晶體管等新型晶體管結(jié)構(gòu)。通過采用應(yīng)變硅技術(shù)，可將載流子從源極到漏極的速度提高1倍。降低器件功耗的主要措施是使用高介電率材料和金屬柵結(jié)構(gòu)。通過多晶硅極與SiOH柵絕緣層的組合，可使柵極漏電流減少幾個(gè)數(shù)量級(jí)。目前推薦使用的高介材料有HfSiOH和HfAlOH。與高介電率材料配合，采用金屬柵結(jié)構(gòu)將使器件性能進(jìn)一步提高。到45納米乃至32納米線寬階段，金屬柵將可能變成雙層的。Ni是一種被推薦的金屬柵材料。

　　近一年來剛研制出的硅光器件和近年獲長(zhǎng)足發(fā)展的單電子器件，雖有概念型樣品問世，但距實(shí)用器件推向市場(chǎng)尚需一段時(shí)間，在今后幾年將會(huì)有相應(yīng)產(chǎn)品面市。