一篇文章說清半導(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。

　　有人會問，為何沒有衍射效應(yīng)呢?

　　答案是業(yè)界10多年來在光刻技術(shù)上投入了巨資，先后開發(fā)了各種魔改級別的暴力技術(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180度反向的方式來讓產(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以來的所有技術(shù)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步。

　　又有人會問，為何不用更小波長的光源呢?

　　答案是，工藝上暫時做不到。

　　是的，高端光刻機(jī)的光源，是世界級的工業(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@個波長，已經(jīng)沒有合適的介質(zhì)可以用來折射光，構(gòu)成必須的光路了，因此這個技術(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，拿來用就會賠本。一臺這種機(jī)器就上億美元。所以EUV還屬于未來。

　　基于以上三個原因，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)，越來越難，到了22nm之后，已經(jīng)無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)成這個技術(shù)節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)的技術(shù)和工藝的總和。

　　第三個問題，技術(shù)節(jié)點(diǎn)的縮小過程中，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。

　　為了講清楚這個問題，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，并且縱軸一般是對數(shù)坐標(biāo)。

　　前面說過，柵電壓控制晶體管的開關(guān)。可以看出，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。這個性質(zhì)有多方面的好處，下面會說明。

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

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

　　并且，降低這個值，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。所以說這個值是晶體管設(shè)計(jì)里面最重要的指標(biāo)，不過分。

　　圍繞這個指標(biāo)，以及背后的晶體管性能設(shè)計(jì)的幾個目標(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)的對應(yīng)不一定完全準(zhǔn)確，但具體的描述應(yīng)該沒錯：

　　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，因此會導(dǎo)致硅的晶格形狀改變，而根據(jù)能帶論，這個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)，這種方法對于空穴型溝道的晶體管(pmos)，比對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。

　　這個也是一個里程碑的成果，我在念書的時候曾經(jīng)有一位幫他搬過磚的教授，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問題：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)說晶體管的結(jié)構(gòu)，下面補(bǔ)一張圖：

　　這是一個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。它的作用是隔絕柵極和溝道。因?yàn)闁艠O開關(guān)溝道，是通過電場進(jìn)行的，電場的產(chǎn)生又是通過在柵極上加一定的電壓來實(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，其相對介電常數(shù)(衡量絕緣性的，越高，對晶體管性能來說，越好)約是3.9。一個好的絕緣層是晶體管的生命線，這個“好”的定義在這里不多說了，但是要說明，硅天然就具有這么一個性能：超級好的絕緣層，對于半導(dǎo)體工業(yè)來說，是一件有歷史意義的事情。

　　有人曾經(jīng)感慨，說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)，又給了一個完美的自然絕緣層。所以至今，硅極其難被取代，一個重要原因就是，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，也出現(xiàn)了問題。別忘了縮小的過程中，電場強(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▌有裕绻^緣層很窄很窄的話，那么有一定的幾率電子會發(fā)生隧穿效應(yīng)而越過絕緣層的能帶勢壘，產(chǎn)生漏電流。

　　可以想象為穿過一堵比自己高的墻。這個電流的大小和絕緣層的厚度，以及絕緣層的“勢壘高度”，成負(fù)相關(guān)。因此厚度越小，勢壘越低，這個漏電流越大，對晶體管越不利。

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

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

　　可以看出，這里已經(jīng)出現(xiàn)了一對設(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)際上在這個節(jié)點(diǎn)之前，二氧化硅已經(jīng)縮小到了不到兩個納米的厚度，也就是十幾個原子層的厚度，漏電流的問題已經(jīng)取代了性能的問題，成為頭號大敵。

　　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，如果有一種材料，介電常數(shù)很高，同時能帶勢壘也很高，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)過驗(yàn)證，確定使用一種名為HfO2的材料。這個元素我以前聽都沒有聽過，中文念什么我都說不上來。就是這么牛。這個就叫做high-k，這里的k是相對介電常數(shù)(相對于二氧化硅的而言)。

　　當(dāng)然，這個工藝的復(fù)雜程度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這里描述的這么簡單。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，后來經(jīng)過發(fā)展，改用重?fù)诫s多晶硅制作，因?yàn)楣に嚭唵?，性能好。到了high-k這里，大家發(fā)現(xiàn)，high-k材料有兩個副作用，一是會莫名其妙地降低工作電流，二是會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，這個值是非常重要的晶體管參數(shù)。

　　這個原理不細(xì)說了(其實(shí)是說不清楚才對吧哈哈...?)，主要原因是，high-k材料會降低溝內(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，是從能帶論的圖像上來解釋半導(dǎo)體電子分布的一種分析方法，簡單地說，它的位置會影響晶體管的閾值電壓。

　　這兩個問題的產(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)電荷的一對電荷系統(tǒng)，可以隨著外加電場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溝道和費(fèi)米能級的影響。這樣一來就兩全其美啦。

　　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。