一篇文章說清半導體制程發(fā)展史

　　半導體制造工藝節(jié)點是如何演進的?晶體管的架構是怎樣發(fā)展成如今模樣的?下面告訴你...

　　首先，技術節(jié)點是什么意思呢?常聽說的，諸如，臺積電16nm工藝的Nvidia GPU、英特爾14nm工藝的i5，這個長度的含義，具體的定義需要詳細給出晶體管的結構圖才行，簡單地說，在早期，可以認為是晶體管的尺寸。

　　這個尺寸很重要，因為晶體管的作用，簡單地說，就是把電子從一端(S)，通過一段溝道，送到另一端(D)，這個過程完成之后，信息的傳遞就完成了。因為電子的速度是有限的，在現(xiàn)代晶體管中，一般都是以飽和速度運行的，所以需要的時間基本就由這個溝道的長度來決定。越短，就越快。

　　這個溝道的長度，和前面說的晶體管的尺寸，大體上可以認為是一致的。但是二者有區(qū)別，溝道長度是一個晶體管物理的概念，而用于技術節(jié)點的那個尺寸，是制造工藝的概念，二者相關，但是不能完全劃等號。

　　在微米時代，這個技術節(jié)點的數(shù)字越小，晶體管的尺寸也越小，溝道長度也就越小。但是在22nm節(jié)點之后，晶體管的實際尺寸，或者說溝道的實際長度，是長于這個數(shù)字的。比方說，英特爾的14nm的晶體管，溝道長度其實是20nm左右。

　　這里就涉及到三個問題：

　　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?這個問題就是在問，縮小有什么好處?

　　第二， 為什么技術節(jié)點的數(shù)字不能等同于晶體管的實際尺寸?或者說，在晶體管的實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節(jié)點?這個問題就是在問，縮小有什么技術困難?

　　第三， 具體如何縮小?也就是，技術節(jié)點的發(fā)展歷程是怎樣的?在每一代都有怎樣的技術進步?在這里我特指晶體管的設計和材料。

　　下面盡我所能來回答，歡迎指正。

　　第一個問題，一部分的答案已經(jīng)說了，因為越小就越快。這個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，代表CPU的時鐘頻率，越高當然越快。可以看出直到2004年，CPU的時鐘頻率基本是指數(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果是成本的下降。

　　這也是為什么半導體行業(yè)50年來如一日地追求摩爾定律的原因，因為如果達不到這個標準，你家的產(chǎn)品成本就會高于能達到這個標準的對手，你家就倒閉了。

　　還有一個原因是晶體管縮小可以降低單個晶體管的功耗，因為縮小規(guī)則的要求，同時會降低整體芯片的供電電壓，進而降低功耗。

　　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很嚴重的問題，因為理論上的計算是理想情況，實際上，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)預測到，根據(jù)摩爾定律的發(fā)展，如果沒有什么技術進步的話，晶體管縮小到2010年前后時，其功耗密度可以達到火箭發(fā)動機的水平，這樣的芯片當然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，實際的做法是：一方面降低電壓(功耗與電壓的平方成正比)，一方面不再追求時鐘頻率。因此在上圖中，2005年以后，CPU頻率不再增長，性能的提升主要依靠多核架構。這個被稱作“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。

　　以上是三個縮小晶體管的主要誘因?？梢钥闯?，都是重量級的提升性能、功能、降低成本的方法，所以業(yè)界才會一直堅持到現(xiàn)在。

　　那么是怎樣縮小的呢?物理原理是恒定電場，因為晶體管的物理學通俗的說，是電場決定的，所以只要電場不變，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節(jié)點的數(shù)字：

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

　　會發(fā)現(xiàn)是一個大約以0.7為比的等比數(shù)列。現(xiàn)在，這只是一個命名的習慣，跟實際尺寸已經(jīng)有差距了。

　　第二個問題，為什么現(xiàn)在的技術節(jié)點不再直接反應晶體管的尺寸呢?

　　原因也很簡單，因為無法做到這個程度的縮小了。有三個主要原因：

　　首先，原子尺度的計量單位是埃，為0.1nm。

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

　　電子在分布確定之后，仍然被當作一個粒子來對待，而不是考慮它的量子效應。因為尺寸大，所以不需要。但是越小，就越不行，就需要考慮各種復雜的物理效應。

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

　　短溝道效應其實很好理解，通俗地講，晶體管是一個三個端口的開關，其工作原理是把電子從一端(源端)送到另一端(漏端)，這是通過溝道進行的，另外還有一個端口(柵端)的作用是，決定這條溝道是打開的，還是關閉的。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是，必須要打得開，也要關得緊。短溝道器件，打得開沒問題，但是關不緊，原因就是尺寸太小，內(nèi)部有很多電場上的互相干擾，以前都是可以忽略不計的，現(xiàn)在則會導致柵端的電場不能夠發(fā)揮全部的作用，因此關不緊。關不緊的后果就是有漏電流，簡單地說就是不需要、浪費的電流。

　　可不能小看這部分電流，因為此時晶體管是在休息，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計和電路設計的一個最主要的難題。

　　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。它的功能是，把預先印制好的電路設計，像洗照片一樣洗到晶片表面上去，在我看來就是一種bug級的存在，因為吞吐率非常地高。否則那么復雜的集成電路，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多張不同的設計模板，先后不斷地曝光，才能完成整個處理器的設計印制。

　　但是光刻機，顧名思義，是用光的，當然不是可見光，但總之是光。

　　而稍有常識就會知道，所有用光的東西，都有一個問題，就是衍射。光刻機也不例外。

　　因為這個問題的制約，任何一臺光刻機所能刻制的最小尺寸，基本上與它所用的光源的波長成正比。波長越小，尺寸也就越小，這個道理是很簡單的。

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