一篇文章說(shuō)清半導(dǎo)體制程發(fā)展史

　　相比之下，目前的最小量產(chǎn)的晶體管尺寸是20nm (14nm node)，已經(jīng)有了10倍以上的差距。

　　有人會(huì)問(wèn)，為何沒有衍射效應(yīng)呢?

　　答案是業(yè)界10多年來(lái)在光刻技術(shù)上投入了巨資，先后開發(fā)了各種魔改級(jí)別的暴力技術(shù)，諸如浸入式光刻(把光程放在某種液體里，因?yàn)楣獾恼凵渎矢?，而最小尺寸反比于折射?、相位掩模(通過(guò)180度反向的方式來(lái)讓產(chǎn)生的衍射互相抵消，提高精確度)，等等，就這樣一直撐到了現(xiàn)在，支持了60nm以來(lái)的所有技術(shù)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步。

　　又有人會(huì)問(wèn)，為何不用更小波長(zhǎng)的光源呢?

　　答案是，工藝上暫時(shí)做不到。

　　是的，高端光刻機(jī)的光源，是世界級(jí)的工業(yè)難題。

　　以上就是目前主流的深紫外曝光技術(shù)(DUV)。業(yè)界普遍認(rèn)為，7nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)是它的極限了，甚至7nm都不一定能夠做到量產(chǎn)。下一代技術(shù)仍然在開發(fā)之中，被稱為極紫外(EUV)，其光源降到了13nm。但是別高興地太早，因?yàn)樵谶@個(gè)波長(zhǎng)，已經(jīng)沒有合適的介質(zhì)可以用來(lái)折射光，構(gòu)成必須的光路了，因此這個(gè)技術(shù)里面的光學(xué)設(shè)計(jì)，全部是反射，而在如此高的精度下，設(shè)計(jì)如此復(fù)雜的反射光路，本身就是難以想象的技術(shù)難題。

　　這還不算(已經(jīng)能克服了)，最難的還是光源，雖然可以產(chǎn)生所需的光線，但是強(qiáng)度遠(yuǎn)低于工業(yè)生產(chǎn)的需求，造成EUV光刻機(jī)的晶圓產(chǎn)量達(dá)不到要求，換言之，拿來(lái)用就會(huì)賠本。一臺(tái)這種機(jī)器就上億美元。所以EUV還屬于未來(lái)。

　　基于以上三個(gè)原因，其實(shí)很早開始就導(dǎo)致晶體管的尺寸縮小進(jìn)入了深水區(qū)，越來(lái)越難，到了22nm之后，已經(jīng)無(wú)法做大按比例縮小了，因此就沒有再追求一定要縮小，反而是采用了更加優(yōu)化的晶體管設(shè)計(jì)，配合CPU架構(gòu)上的多核多線程等一系列技術(shù)，繼續(xù)為消費(fèi)者提供相當(dāng)于更新?lián)Q代了的產(chǎn)品性能。

　　目前，技術(shù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字仍然在縮小，但是已然不再等同于晶體管的尺寸，而是代表一系列構(gòu)成這個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)的技術(shù)和工藝的總和。

　　第三個(gè)問(wèn)題，技術(shù)節(jié)點(diǎn)的縮小過(guò)程中，晶體管的設(shè)計(jì)是怎樣發(fā)展的。

　　首先要搞清楚，晶體管設(shè)計(jì)的思路是什么。主要的無(wú)非兩點(diǎn)：第一提升開關(guān)響應(yīng)度，第二降低漏電流。

　　為了講清楚這個(gè)問(wèn)題，最好的方法是看圖。晶體管物理的圖，基本上搞清楚一張就足夠了，就是漏電流-柵電壓的關(guān)系圖，比如下面這種：

　　橫軸代表柵電壓，縱軸代表漏電流，并且縱軸一般是對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

　　前面說(shuō)過(guò)，柵電壓控制晶體管的開關(guān)?？梢钥闯?，最好的晶體管，是那種能夠在很小的柵電壓變化內(nèi)，一下子就從完全關(guān)閉(漏電流為0)，變成完全打開(漏電流達(dá)到飽和值)，也就是虛線。這個(gè)性質(zhì)有多方面的好處，下面會(huì)說(shuō)明。

　　顯然這種晶體管不存在于這個(gè)星球上。原因是，在經(jīng)典的晶體管物理理論下，衡量這個(gè)開關(guān)響應(yīng)能力的標(biāo)準(zhǔn)，叫做Subthreshold Swing(SS，不是黨衛(wèi)軍...)，有一個(gè)極限值，約為60，背后的原因就不細(xì)說(shuō)了。

　　根據(jù)英特爾的數(shù)據(jù)，最新的14nm晶體管，這個(gè)數(shù)值大概是70左右(越低越好)。

　　并且，降低這個(gè)值，和降低漏電流、提升工作電流(提高速度)、降低功耗等要求，是等同的，因?yàn)檫@個(gè)值越低，在同樣的電壓下，漏電流就越低。而為了達(dá)到同樣的工作電流，需要的電壓就越低，這樣等同于降低了功耗。所以說(shuō)這個(gè)值是晶體管設(shè)計(jì)里面最重要的指標(biāo)，不過(guò)分。

　　圍繞這個(gè)指標(biāo)，以及背后的晶體管性能設(shè)計(jì)的幾個(gè)目標(biāo)，大家都做了哪些事情呢?

　　先看工業(yè)界，畢竟實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。下面是我的記憶，和節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)不一定完全準(zhǔn)確，但具體的描述應(yīng)該沒錯(cuò)：

　　65nm引入Ge strained溝道。

　　strain我不知道如何翻譯成中文詞匯，但是其原理是通過(guò)在適當(dāng)?shù)牡胤綋诫s一點(diǎn)點(diǎn)的鍺到硅里面去，鍺和硅的晶格常數(shù)不同，因此會(huì)導(dǎo)致硅的晶格形狀改變，而根據(jù)能帶論，這個(gè)改變可以在溝道的方向上提高電子的遷移率，而遷移率高，就會(huì)提高晶體管的工作電流。而在實(shí)際中，人們發(fā)現(xiàn)，這種方法對(duì)于空穴型溝道的晶體管(pmos)，比對(duì)電子型溝道的晶體管(nmos)，更加有效。

　　45nm引入了高k值絕緣層/金屬柵極配置。

　　這個(gè)也是一個(gè)里程碑的成果，我在念書的時(shí)候曾經(jīng)有一位幫他搬過(guò)磚的教授，當(dāng)年是在英特爾開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)的團(tuán)隊(duì)的主要成員之一，因此對(duì)這一點(diǎn)提的特別多，耳濡目染就記住了。

　　這是兩項(xiàng)技術(shù)，但其實(shí)都是為了解決同一個(gè)問(wèn)題：即在很小的尺寸下，如何保證柵極有效的工作。

　　前面沒有細(xì)說(shuō)晶體管的結(jié)構(gòu)，下面補(bǔ)一張圖：

　　這是一個(gè)最基本的晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖，現(xiàn)在的晶體管早就不長(zhǎng)這樣了，但是任何半導(dǎo)體物理都是從這兒開始講起的，所以這是“標(biāo)配版”的晶體管，又被稱為體硅(bulk)晶體管。

　　gate就是柵。

　　其中有一個(gè)oxide，絕緣層，前面沒有提到，但是卻是晶體管所有的構(gòu)件中，最關(guān)鍵的一個(gè)。它的作用是隔絕柵極和溝道。因?yàn)闁艠O開關(guān)溝道，是通過(guò)電場(chǎng)進(jìn)行的，電場(chǎng)的產(chǎn)生又是通過(guò)在柵極上加一定的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是歐姆定律告訴我們，有電壓就有電流。如果有電流從柵極流進(jìn)了溝道，那么還談什么開關(guān)?早就漏了。

　　所以需要絕緣層。為什么叫oxide(or dielectric)而不叫insulator呢?因?yàn)樽钤绲慕^緣層就是和硅非常自然地共處的二氧化硅，其相對(duì)介電常數(shù)(衡量絕緣性的，越高，對(duì)晶體管性能來(lái)說(shuō)，越好)約是3.9。一個(gè)好的絕緣層是晶體管的生命線，這個(gè)“好”的定義在這里不多說(shuō)了，但是要說(shuō)明，硅天然就具有這么一個(gè)性能：超級(jí)好的絕緣層，對(duì)于半導(dǎo)體工業(yè)來(lái)說(shuō)，是一件有歷史意義的事情。

　　有人曾經(jīng)感慨，說(shuō)上帝都在幫助人類發(fā)明集成電路，首先給了那么多的沙子(硅晶圓的原料)，又給了一個(gè)完美的自然絕緣層。所以至今，硅極其難被取代，一個(gè)重要原因就是，作為制造晶體管的材料，其綜合性能太完美了。

　　二氧化硅雖好，在尺寸縮小到一定限度時(shí)，也出現(xiàn)了問(wèn)題。別忘了縮小的過(guò)程中，電場(chǎng)強(qiáng)度是保持不變的，在這樣的情況下，從能帶的角度看，因?yàn)殡娮拥牟▌?dòng)性，如果絕緣層很窄很窄的話，那么有一定的幾率電子會(huì)發(fā)生隧穿效應(yīng)而越過(guò)絕緣層的能帶勢(shì)壘，產(chǎn)生漏電流。

　　可以想象為穿過(guò)一堵比自己高的墻。這個(gè)電流的大小和絕緣層的厚度，以及絕緣層的“勢(shì)壘高度”，成負(fù)相關(guān)。因此厚度越小，勢(shì)壘越低，這個(gè)漏電流越大，對(duì)晶體管越不利。

　　另一方面，晶體管的開關(guān)性能、工作電流等，都需要擁有一個(gè)很大的絕緣層電容。實(shí)際上，如果這個(gè)電容無(wú)限大的話，那么就會(huì)達(dá)到理想化的60的那個(gè)SS指標(biāo)。

　　這里說(shuō)的電容都是指單位面積的電容。這個(gè)電容等于介電常數(shù)除以絕緣層的厚度。顯然，厚度越小，介電常數(shù)越大，對(duì)晶體管越有利。

　　可以看出，這里已經(jīng)出現(xiàn)了一對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)上的矛盾，那就是絕緣層的厚度要不要繼續(xù)縮小。實(shí)際上在這個(gè)節(jié)點(diǎn)之前，二氧化硅已經(jīng)縮小到了不到兩個(gè)納米的厚度，也就是十幾個(gè)原子層的厚度，漏電流的問(wèn)題已經(jīng)取代了性能的問(wèn)題，成為頭號(hào)大敵。

　　于是聰明絕頂?shù)娜祟愰_始想辦法。人類很貪心的，既不愿意放棄大電容的性能增強(qiáng)，又不愿意冒漏電的風(fēng)險(xiǎn)。于是人類說(shuō)，如果有一種材料，介電常數(shù)很高，同時(shí)能帶勢(shì)壘也很高，那么是不是就可以在厚度不縮小的情況下(保護(hù)漏電流)，繼續(xù)提升電容(提高開關(guān)性能)呢?

　　于是大家就開始找，用幾乎暴力的方法，找了許多種奇奇怪怪的材料，終于最后經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，確定使用一種名為HfO2的材料。這個(gè)元素我以前聽都沒有聽過(guò)，中文念什么我都說(shuō)不上來(lái)。就是這么牛。這個(gè)就叫做high-k，這里的k是相對(duì)介電常數(shù)(相對(duì)于二氧化硅的而言)。

　　當(dāng)然，這個(gè)工藝的復(fù)雜程度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這里描述的這么簡(jiǎn)單。具備high-k性質(zhì)的材料很多，但是最終被采用的材料，一定要具備許多優(yōu)秀的電學(xué)性質(zhì)，因?yàn)槎趸枵娴氖且豁?xiàng)非常完美的晶體管絕緣層材料，而且制造工藝流程和集成電路的其它制造步驟可以方便地整合，所以找到這樣一項(xiàng)各方面都符合半導(dǎo)體工藝制造的要求的高性能絕緣層材料，是一件了不起的工程成就。

　　至于金屬柵，是與high-k配套的一項(xiàng)技術(shù)。在晶體管的最早期，柵極是用鋁制作，后來(lái)經(jīng)過(guò)發(fā)展，改用重?fù)诫s多晶硅制作，因?yàn)楣に嚭?jiǎn)單，性能好。到了high-k這里，大家發(fā)現(xiàn)，high-k材料有兩個(gè)副作用，一是會(huì)莫名其妙地降低工作電流，二是會(huì)改變晶體管的閾值電壓。閾值電壓就是把晶體管的溝道打開所需要的最小電壓值，這個(gè)值是非常重要的晶體管參數(shù)。

　　這個(gè)原理不細(xì)說(shuō)了(其實(shí)是說(shuō)不清楚才對(duì)吧哈哈...?)，主要原因是，high-k材料會(huì)降低溝內(nèi)的道載流子遷移率，并且影響在界面上的費(fèi)米能級(jí)的位置。載流子遷移率越低，工作電流就越低，而所謂的費(fèi)米能級(jí)，是從能帶論的圖像上來(lái)解釋半導(dǎo)體電子分布的一種分析方法，簡(jiǎn)單地說(shuō)，它的位置會(huì)影響晶體管的閾值電壓。

　　這兩個(gè)問(wèn)題的產(chǎn)生，都和high-k材料內(nèi)部的偶極子分布有關(guān)。偶極子是一端正電荷一端負(fù)電荷的一對(duì)電荷系統(tǒng)，可以隨著外加電場(chǎng)的方向而改變自己的分布，high-k材料的介電常數(shù)之所以高的原因，就跟內(nèi)部的偶極子有很大關(guān)系。所以這是一把雙刃劍。

　　于是人類又想，就想到了用金屬做柵極，因?yàn)榻饘俚淖杂呻姾蓾舛葮O高(超過(guò)10^20)，而且有鏡像電荷效應(yīng)，可以中和掉high-k材料的絕緣層里的偶極子對(duì)溝道和費(fèi)米能級(jí)的影響。這樣一來(lái)就兩全其美啦。

　　至于這種或這幾種金屬究竟是什么，很抱歉，除了掌握技術(shù)的那幾家企業(yè)之外，外界沒有人知道，是商業(yè)機(jī)密。