半導(dǎo)體巨頭推動(dòng)研發(fā)進(jìn)程 32納米芯片趨實(shí)用

 遵循“摩爾定律”的指引，全球半導(dǎo)體巨頭正邁向32納米工藝；不過，其研發(fā)策略卻各不相同。

全球32納米芯片微細(xì)技術(shù)開發(fā)主要有3個(gè)陣營(yíng)，參加單位數(shù)目最多的是IBM陣營(yíng)，其次是英特爾公司，第三是日本公司，此外還有中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的臺(tái)積電、歐洲比利時(shí)微電子中心IMEC等。

英特爾技術(shù)業(yè)界領(lǐng)先

2007年9月，英特爾公司領(lǐng)先業(yè)界在“開發(fā)者論壇”首次展出了32納米工藝的測(cè)試用硅圓片。該硅圓片用于測(cè)試器件性能和試驗(yàn)新工藝是否合理，并非實(shí)際的邏輯電路。一般來(lái)講，只有生產(chǎn)出可實(shí)用的SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)器件之后才能代表工藝基本成熟。按照英特爾公司“鐘擺策略”，2009年他們將推出32納米工藝的微處理器并且投入批量生產(chǎn)。該微處理器開發(fā)代號(hào)為Westmere。

英特爾公司的特點(diǎn)是憑借雄厚的研究資金，開發(fā)最先進(jìn)的32納米工藝。2007年英特爾開發(fā)的第一代32納米技術(shù)主要內(nèi)容為基于金屬鉿的高溫下使用的高介電率絕緣層工藝及金屬柵極技術(shù)。

2008年，英特爾已開發(fā)出了第二代用于32納米工藝的高介電絕緣介質(zhì)/金屬柵極技術(shù)。在業(yè)內(nèi)率先量產(chǎn)高介電絕緣介質(zhì)/金屬柵極芯片的英特爾，研究出在高溫退火后形成柵極的新工藝，避免了高溫對(duì)柵極的影響。采用第二代32納米工藝制造的芯片可集成19億個(gè)晶體管。英特爾的32納米測(cè)試芯片為邏輯集成系統(tǒng)芯片和SRAM。

參與英特爾研發(fā)的有美國(guó)美光科技公司，他們已共同開發(fā)成功采用34納米工藝技術(shù)的多值NAND型閃存。從2008年下半年開始量產(chǎn)的產(chǎn)品是容量為32Gbit的多值NAND型閃存，可用于SSD(固態(tài)硬盤)。據(jù)美光存儲(chǔ)器部門副總裁BrianShirley稱，該芯片“在量產(chǎn)品中是數(shù)位密度最高的存儲(chǔ)器”。

IBM陣營(yíng)突飛猛進(jìn)

IBM陣營(yíng)的特點(diǎn)是在基本不改變傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)通用的32納米技術(shù)。與IBM共同開發(fā)32納米節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)的有7家大型半導(dǎo)體公司：美國(guó)AMD、美國(guó)飛思卡爾半導(dǎo)體、德國(guó)英飛凌、韓國(guó)三星電子、意法半導(dǎo)體、新加坡特許半導(dǎo)體和日本東芝。日本NEC和日立公司也先后加入了這一研發(fā)隊(duì)伍。經(jīng)過一年多的合作開發(fā)，2008年，IBM陣營(yíng)推出了32納米體硅CMOS通用制造平臺(tái)“CommonPlat-form”。該通用制造平臺(tái)的工藝采用高介電率柵極絕緣介質(zhì)和金屬柵極。通過使用高介電率絕緣介質(zhì)材料和金屬柵極，可使器件性能提高約35%，功耗降低約50%。

IBM的工程師使用了“高介電率絕緣介質(zhì)先制柵極(High-KGate-First)”的新工藝。在柵極工藝中，如果在形成柵極的高溫退火工序之前采用High-K/金屬柵極，那么金屬受到高溫的影響，會(huì)導(dǎo)致柵極工作參數(shù)變化，使晶體管特性劣化。IBM陣營(yíng)開發(fā)出了節(jié)電型和高速型兩種32納米器件的批量生產(chǎn)技術(shù)，并且有把握將這些標(biāo)準(zhǔn)工藝技術(shù)延伸至22納米。IBM陣營(yíng)所開發(fā)的工藝要盡可能采用傳統(tǒng)工藝并且不大幅增加成本。為降低成本，其節(jié)電型沒有采用成本稍高的應(yīng)變硅技術(shù)。

IBM的高K/金屬柵可以將低功耗氧化層厚度降低約10埃，這樣反型層厚度(Tinv)可以達(dá)到14埃。更薄的柵氧化層厚度提高了性能，可以將柵長(zhǎng)降低到30納米，同時(shí)還可將SRAM的電壓最小值保持在優(yōu)化的量級(jí)，可以將接觸孔靠得更近而不用擔(dān)心出現(xiàn)短路的危險(xiǎn)。

2008年4月，IBM宣布可以讓客戶開始進(jìn)行32納米的設(shè)計(jì)。從2008年9月開始，IBM的32納米通用制造平臺(tái)已正式開始“流片”試生產(chǎn)。已試制成功SRAM、NOR和NAND閃存以及其他邏輯電路。如采用IBM的32納米低耗電工藝試制出了ARM處理器內(nèi)核“Cortex-M3”，該試制芯片名為“Cassini”。基于通用平臺(tái)的32納米工藝將從2009年年底開始批量生產(chǎn)。

IBM公司和英國(guó)ARM公司于2008年10月采用IBM陣營(yíng)的體硅CMOS通用制造平臺(tái)“CommonPlatform”，共同開發(fā)專門用于32納米、28納米工藝的經(jīng)過最優(yōu)化的物理IP。他們?cè)谶M(jìn)行32納米、28納米工藝技術(shù)開發(fā)的同時(shí)，合作完成器件版圖即物理IP的優(yōu)化布局。這樣，可充分發(fā)揮出制造工藝的特長(zhǎng)，提高器件的質(zhì)量和可靠性。

另外，ARM的物理IP業(yè)務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)者——— 美國(guó)VirageLogic公司也于2008年10月在美國(guó)發(fā)布了32納米商用物理IP的專用化技術(shù)。

筆者認(rèn)為，在此全球金融危機(jī)之際，IBM等公司在基本采用傳統(tǒng)芯片工藝基礎(chǔ)上開發(fā)新一代尖端工藝和技術(shù)的思路值得大力提倡。特別是在硬件上無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，充分發(fā)揮軟件技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，軟硬結(jié)合開拓新的發(fā)展途徑。IBM等公司的實(shí)踐說明，通過強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，軟硬結(jié)合，充分發(fā)掘現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)的潛力，這是當(dāng)前形勢(shì)下先進(jìn)技術(shù)開發(fā)的一條康莊大道。

臺(tái)積電關(guān)注低成本工藝

臺(tái)積電已開發(fā)成功不需要采用高電介質(zhì)柵極絕緣介質(zhì)和金屬柵極的32納米技術(shù)工藝。這種低成本32納米工藝采用了45納米工藝中使用的SiON柵極絕緣介質(zhì)。用其可生產(chǎn)模擬和數(shù)字的集成系統(tǒng)芯片。在此基礎(chǔ)上，2008年10月，臺(tái)積電公布了其28納米的工藝，該工藝有面向低功耗集成系統(tǒng)的的SiON柵極絕緣介質(zhì)技術(shù)和面向高功能集成系統(tǒng)的高介電率柵極絕緣介質(zhì)/金屬柵極技術(shù)兩種。低功耗型適用生產(chǎn)手機(jī)的基帶LSI和應(yīng)用處理器等。與該公司40納米工藝的低功耗型產(chǎn)品相比，柵極密度增加了一倍，工作速度最大可提高50%。功耗在工作速度相同的條件下可降低30%～50%。高功能型適用制造微處理器、圖形處理器和FPGA等通用器件。與該公司40納米工藝的高功能型相比，在功耗相同的情況下，柵極密度為2倍，工作速度提高30%以上。參加臺(tái)積電研發(fā)的有與其合作多年的美國(guó)德州儀器公司。應(yīng)指出的是，臺(tái)積電開發(fā)的SiON柵極絕緣介質(zhì)32納米節(jié)點(diǎn)技術(shù)，相比高介電率柵極絕緣介質(zhì)/金屬柵極工藝，可減少柵極電容從而降低器件功耗，但其缺點(diǎn)是器件漏電流沒有顯著降低。臺(tái)積電認(rèn)為，面對(duì)更加重視降低運(yùn)行時(shí)功耗的用途，例如手機(jī)等便攜產(chǎn)品時(shí)，與可減少漏電流的高介電率柵極絕緣介質(zhì)技術(shù)相比，SiON柵極絕緣介質(zhì)技術(shù)具備優(yōu)勢(shì)。

 臺(tái)積電在2008年10月橫濱舉行的技術(shù)研討會(huì)上宣布，預(yù)計(jì)2010年初開始量產(chǎn)的28納米工藝仍將采用液浸ArF光刻。

 日本公司注重批量生產(chǎn)

 此外還有日本公司，限于財(cái)力，他們主要開發(fā)32納米節(jié)點(diǎn)的批量生產(chǎn)工藝和Know-How(技術(shù)訣竅)。

 由日本各半導(dǎo)體廠商聯(lián)合出資組成的先進(jìn)集成電路的開發(fā)組織Selete(半導(dǎo)體尖端技術(shù))已初步開發(fā)成功32納米大規(guī)模集成電路的制造工藝。其要點(diǎn)有三：一是開發(fā)出了在更微細(xì)線寬條件下的防漏電的新型電極材料；二是防止重疊配線層之間相互影響的層間絕緣材料；三是開發(fā)了新電極材料，加速了32納米半導(dǎo)體技術(shù)的實(shí)用化研究。

 防漏電的新電極材料是用于控制晶體管的柵極。傳統(tǒng)的晶體管的柵極材料采用的是多晶硅，為了絕緣，在多晶硅周圍使用了氧化硅。然而隨著器件的微細(xì)化，這會(huì)產(chǎn)生漏電流過大的問題。為解決這一問題，經(jīng)試用多種材料后，Selete和日立公司確定采用TiN作為柵極。傳統(tǒng)的集成電路分為pMOS和nMOS兩種。經(jīng)試測(cè)，TiN對(duì)于這兩種集成電路均適用，即采用TiN后，有效地防止了漏電流。

 絕緣材料采用了硅酸鉿Hf(HafniumSilicate)。對(duì)于nMOS摻雜氧化鎂，對(duì)于pMOS摻雜氧化鋁。如果pMOS和nMOS采用相同的金屬柵材料，則可簡(jiǎn)化工藝和降低制造成本。此外，所開發(fā)的32納米器件，將通、斷電壓降低了0.2伏。由此，可期待該器件適于高速工作。

 早稻田大學(xué)和物質(zhì)材料研究所合作開發(fā)成功了用于32納米半導(dǎo)體的新材料。這種材料由合金和炭組成，其可使器件穩(wěn)定工作并且大幅度降低功耗。

 NEC公司發(fā)布了通過降低層間絕緣膜的介電率實(shí)現(xiàn)包括層間絕緣膜的任何層都可連續(xù)成膜的32nm工藝的布線技術(shù)。

 日本富士通開發(fā)出了不使用金屬柵極材料的32納米工藝CMOS技術(shù)，可降低生產(chǎn)成本。

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 22納米工藝已實(shí)現(xiàn)突破

 由于IBM陣營(yíng)集中了全球主要半導(dǎo)體公司，通過合作，在22納米工藝開發(fā)上進(jìn)展迅速。2008年8月，他們首先發(fā)布了在美國(guó)Albany納米技術(shù)研究室試制成功的22納米SRAM芯片。其工藝技術(shù)有以下7個(gè)特點(diǎn)：高介電率柵極絕緣層/金屬柵極，柵極長(zhǎng)度小于25納米的晶體管，薄隔離層，新的離子注入方式，尖端退火技術(shù)，超薄硅化物，鑲嵌Cu觸頭。該芯片光刻采用了高數(shù)值孔徑(high-NA)的液浸光刻技術(shù)。

 特別值得指出的是，與32納米工藝一樣，IBM陣營(yíng)的22納米工藝對(duì)傳統(tǒng)芯片工藝并不做大的變動(dòng)。這不僅降低了技術(shù)難度，而且可大幅度減少生產(chǎn)成本。基于此，IBM陣營(yíng)最近宣布，其在22納米工藝上已領(lǐng)先于英特爾公司。

 有關(guān)專家指出，制約芯片微細(xì)工藝進(jìn)展的難點(diǎn)主要是光刻技術(shù)。新一代光刻在技術(shù)上要求高，制造設(shè)備的成本極高，絕大多數(shù)公司無(wú)力單獨(dú)承擔(dān)。而IBM公司的22納米工藝，主要是在光刻上有重大突破。其使用了MentorGraphics公司計(jì)算縮微光刻技術(shù)，利用現(xiàn)有的縮微光刻工具并通過大量的并行計(jì)算來(lái)生產(chǎn)，將目前的設(shè)備加以改進(jìn)，便可完成22納米芯片的光刻工作。計(jì)算縮微光刻是種新的技術(shù)思路和嘗試，其核心是利用軟件對(duì)整個(gè)工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。