半導(dǎo)體芯片工藝節(jié)點(diǎn)演變路徑分析

來(lái)源：電子工程專輯

1 引言

在摩爾定律的指導(dǎo)下，集成電路的制造工藝一直在往前演進(jìn)。得意于這幾年智能手機(jī)的流行，大家對(duì)節(jié)點(diǎn)了解甚多。例如40 nm、28 nm、20 nm、16 nm 等等，要知道的這些節(jié)點(diǎn)的真正含義，首先要解析一下技術(shù)節(jié)點(diǎn)的意思。

常聽(tīng)說(shuō)的，諸如，臺(tái)積電16 nm工藝的NvidiaGPU、英特爾14 nm 工藝的i5 CPU 等等，這個(gè)長(zhǎng)度的含義，具體的定義需要詳細(xì)的給出晶體管的結(jié)構(gòu)圖才行。在早期，可以姑且認(rèn)為是相當(dāng)于晶體管的尺寸。

為什么這個(gè)尺寸重要呢。因?yàn)榫w管的作用，是把電子從一端（S），通過(guò)一段溝道，送到另一端（D），這個(gè)過(guò)程完成了之后，信息的傳遞就完成了。因?yàn)殡娮拥乃俣仁怯邢薜模诂F(xiàn)代晶體管中，一般都是以飽和速度運(yùn)行的，所以需要的時(shí)間基本就由這個(gè)溝道的長(zhǎng)度來(lái)決定。越短，就越快。這個(gè)溝道的長(zhǎng)度，和前面說(shuō)的晶體管的尺寸，大體上可以認(rèn)為是一致的。但是二者有區(qū)別，溝道長(zhǎng)度是一個(gè)晶體管物理的概念，而用于技術(shù)節(jié)點(diǎn)的那個(gè)尺寸，是制造工藝的概念，二者相關(guān)，但是不相等。

在微米時(shí)代，一般這個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字越小，晶體管的尺寸也越小，溝道長(zhǎng)度也就越小。但是在22 nm 節(jié)點(diǎn)之后，晶體管的實(shí)際尺寸，或者說(shuō)溝道的實(shí)際長(zhǎng)度，是長(zhǎng)于這個(gè)數(shù)字的。比方說(shuō)，英特爾的14 nm 的晶體管，溝道長(zhǎng)度其實(shí)是20 nm 左右。

根據(jù)現(xiàn)在的了解，晶體管的縮小過(guò)程中涉及到三個(gè)問(wèn)題，分別是：

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(gè)問(wèn)題就是在問(wèn)，縮小有什么好處。

第二，為什么技術(shù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字不能等同于晶體管的實(shí)際尺寸?；蛘哒f(shuō)，在晶體管的實(shí)際尺寸并沒(méi)有按比例縮小的情況下，為什么要宣稱是新一代的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。這個(gè)問(wèn)題就是在問(wèn)，縮小有什么技術(shù)困難。

第三，晶體管具體如何縮小。也就是，技術(shù)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展歷程是怎樣的。在每一代都有怎樣的技術(shù)進(jìn)步。這也是題主所提的真正的問(wèn)題。在這里特指晶體管的設(shè)計(jì)和材料。

2 工藝節(jié)點(diǎn)演變路徑分析

2.1 縮小晶體管的尺寸

第一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)榫w管尺寸越小，速度就越快。這個(gè)快是可以直接解釋為基于晶體管的集成電路芯片的性能上去的。以微處理器CPU為例，見(jiàn)圖1，來(lái)源是40 Years of Microprocessor Trend Data。

圖1 的信息量很大，這里相關(guān)的是綠色的點(diǎn)，代表CPU的時(shí)鐘頻率，越高當(dāng)然越快。可以看出直到2004年左右，CPU的時(shí)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(gè)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(gè)好處。一來(lái)可以增加芯片的功能，二來(lái)更重要的是，根據(jù)摩爾定律，集成度提升的直接結(jié)果是成本的下降。這也是為什么半導(dǎo)體行業(yè)50年來(lái)如一日地追求摩爾定律的原因，因?yàn)槿绻_(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，你家的產(chǎn)品成本就會(huì)高于能達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)手，你家就倒閉了。

圖 1 微處理器芯片的發(fā)展趨勢(shì)

還有一個(gè)原因是晶體管縮小可以降低單個(gè)晶體管的功耗，因?yàn)榭s小的規(guī)則要求，同時(shí)會(huì)降低整體芯片的供電電壓，進(jìn)而降低功耗。但是有一個(gè)重要的例外，就是從物理原理上說(shuō)，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(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題，因?yàn)槔碚撋系挠?jì)算是理想情況，實(shí)際上，不僅不降低，反而是隨著集成度的提高而提高的。在2000年的時(shí)候，人們已經(jīng)預(yù)測(cè)，根據(jù)摩爾定律的發(fā)展，如果沒(méi)有什么技術(shù)進(jìn)步的話，晶體管縮小到2010年時(shí)，其功耗密度可以達(dá)到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的水平，這樣的芯片當(dāng)然是不可能正常工作的。即使達(dá)不到這個(gè)水平，溫度太高也會(huì)影響晶體管的性能。

事實(shí)上，業(yè)界現(xiàn)在也沒(méi)有找到真正徹底解決晶體管功耗問(wèn)題的方案，實(shí)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(shí)鐘頻率。因此在圖1中，2005年以后，CPU頻率不再增長(zhǎng)，性能的提升主要依靠多核架構(gòu)。這個(gè)被稱作“功耗墻”，至今仍然存在，所以你買不到5 GHz 的處理器，4G的都幾乎沒(méi)有。

以上是三個(gè)縮小晶體管的主要誘因?？梢钥闯?，都是重量級(jí)的提升性能、功能、降低成本的方法，所以業(yè)界才會(huì)一直堅(jiān)持到現(xiàn)在。那么是怎樣縮小的呢。物理原理是恒定電場(chǎng)，因?yàn)榫w管的物理學(xué)通俗地說(shuō)，是電場(chǎng)決定的，所以只要電場(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)單將面積縮小到原來(lái)的一半。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(shù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字[3]：130 nm、90 nm、65nm、45 nm、32 nm、22 nm、14 nm、10 nm、7 nm（5 nm），會(huì)發(fā)現(xiàn)是一個(gè)大約為0.7 為比的等比數(shù)列，就是這個(gè)原因。當(dāng)然，前面說(shuō)過(guò)，在現(xiàn)在，這只是一個(gè)命名的習(xí)慣，跟實(shí)際尺寸已經(jīng)有差距了。

2.2 節(jié)點(diǎn)的數(shù)字不能等同于晶體管的實(shí)際尺寸

第二個(gè)問(wèn)題，為什么現(xiàn)在的技術(shù)節(jié)點(diǎn)不再直接反應(yīng)晶體管的尺寸呢。原因也很簡(jiǎn)單，因?yàn)闊o(wú)法做到這個(gè)程度的縮小了。有三個(gè)主要的原因。

首先，原子尺度的計(jì)量單位是安，為0.1 nm。10nm的溝道長(zhǎng)度，也就只有不到100個(gè)硅原子而已。晶體管本來(lái)的物理模型這樣的：用量子力學(xué)的能帶論計(jì)算電子的分布，但是用經(jīng)典的電流理論計(jì)算電子的輸運(yùn)。電子在分布確定之后，仍然被當(dāng)作一個(gè)粒子來(lái)對(duì)待，而不是考慮它的量子效應(yīng)。因?yàn)槌叽绱?，所以不需要。但是越小，就越不行了，就需要考慮各種復(fù)雜的物理效應(yīng)，晶體管的電流模型也不再適用。

其次，即使用經(jīng)典的模型，性能上也出了問(wèn)題，這個(gè)叫做短溝道效應(yīng)，其效果是損害晶體管的性能。短溝道效應(yīng)其實(shí)很好理解，通俗地講，晶體管是一個(gè)三個(gè)端口的開(kāi)關(guān)。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，其工作原理是把電子從一端（源端）弄到另一端（漏端），這是通過(guò)溝道進(jìn)行的，另外還有一個(gè)端口（柵端）的作用是，決定這條溝道是打開(kāi)的，還是關(guān)閉的。這些操作都是通過(guò)在端口上加上特定的電壓來(lái)完成的。

晶體管性能依賴的一點(diǎn)是，必須要打得開(kāi)，也要關(guān)得緊。短溝道器件，打得開(kāi)沒(méi)問(wèn)題，但是關(guān)不緊，原因就是尺寸太小，內(nèi)部有很多電場(chǎng)上的互相干擾，以前都是可以忽略不計(jì)的，現(xiàn)在則會(huì)導(dǎo)致柵端的電場(chǎng)不能夠發(fā)揮全部的作用，因此關(guān)不緊。關(guān)不緊的后果就是有漏電流，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是不需要、浪費(fèi)的電流。這部分電流可不能小看，因?yàn)榇藭r(shí)晶體管是在休息，沒(méi)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(dǎo)致的能耗，已經(jīng)占到了總能耗的接近半數(shù)，所以也是目前晶體管設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)的一個(gè)最主要的目標(biāo)。

最后，集成電路的制造工藝也越來(lái)越難做到那么小的尺寸了。決定制造工藝的最小尺寸的東西，叫做光刻機(jī)[5]。它的功能是，把預(yù)先印制好的電路設(shè)計(jì)，像洗照片一樣洗到晶片表面上去，在我看來(lái)就是一種Bug級(jí)的存在，因?yàn)橥掏侣史浅５馗?。否則那么復(fù)雜的集成電路，如何才能制造出來(lái)呢。比如英特爾的奔騰4處理器，據(jù)說(shuō)需要30多還是40多張不同的設(shè)計(jì)模板，先后不斷地曝光，才能完成整個(gè)處理器的設(shè)計(jì)的印制。

但是光刻機(jī)，顧名思義，是用光的，當(dāng)然不是可見(jiàn)光，但總之是光。而稍有常識(shí)就會(huì)知道，所有用光的東西，都有一個(gè)本質(zhì)的問(wèn)題，就是衍射。光刻機(jī)不例外。因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題的制約，任何一臺(tái)光刻機(jī)所能刻制的最小尺寸，基本上與它所用的光源的波長(zhǎng)成正比。波長(zhǎng)越小，尺寸也就越小，這個(gè)道理是很簡(jiǎn)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(jìn)式光刻機(jī)，所使用的光源是193 nm 的氟化氬（ArF）分子振蕩器產(chǎn)生的，被用于最精細(xì)的尺寸的光刻步驟。

相比之下，目前的最小量產(chǎn)的晶體管尺寸是20nm（14 nm node），已經(jīng)有了10 倍以上的差距。為何沒(méi)有衍射效應(yīng)呢。答案是業(yè)界十多年來(lái)在光刻技術(shù)上投入了巨資，先后開(kāi)發(fā)了各種魔改級(jí)別的技術(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率）、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60 nm 以來(lái)的所有技術(shù)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步。

又為何不用更小波長(zhǎng)的光源呢。答案是，工藝上暫時(shí)做不到。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，7 nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)是它的極限了，甚至7 nm 都不一定能夠做到量產(chǎn)。下一代技術(shù)仍然在開(kāi)發(fā)之中，被稱為極紫外（EUV），其光源降到了13 nm。但是，因?yàn)樵谶@個(gè)波長(zhǎng)，已經(jīng)沒(méi)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。

這還不算什么，此問(wèn)題已經(jīng)能被克服了。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，就是上億美元。所以EUV還屬于未來(lái)。由于以上三個(gè)原因，其實(shí)很早開(kāi)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，芯片已經(jīng)無(wú)法按比例縮小了。因此，就沒(méi)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)，配合上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。因?yàn)檫@個(gè)原因，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。

2.3 晶體管縮小過(guò)程中面對(duì)的問(wèn)題

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(kāi)關(guān)響應(yīng)度，第二降低漏電流。

圖 2 晶體管漏電流-柵電壓的關(guān)系圖

為了講清楚這個(gè)問(wèn)題，最好的方法是看圖2。晶體管物理特性圖，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(kāi)關(guān)?？梢钥闯觯詈玫木w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(kāi)（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，接下來(lái)再說(shuō)。

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(kāi)關(guān)響應(yīng)能力的標(biāo)準(zhǔn)，叫做Subthreshold Swing（SS），有一個(gè)極限值，約為60 mV/dec。英特爾的數(shù)據(jù)上，最新的14 nm 晶體管，這個(gè)數(shù)值大概是70 mV/dec左右。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(méi)錯(cuò)：65 nm 引入Ge strained 的溝道。strain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。

圖 3 基本的晶體管結(jié)構(gòu)

2.4 里程碑的突破，45nm引入高K值的絕緣層

（1）45nm引入了高k值絕緣層/金屬柵極的配置。這個(gè)也是一個(gè)里程碑的成果，曾經(jīng)有一位教授，當(dāng)年是在英特爾開(kāi)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：在很小的尺寸下，如何保證柵極有效的工作。前面沒(méi)有細(xì)說(shuō)晶體管的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。

圖3 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(kāi)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(méi)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(kāi)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(kāi)關(guān)，早就漏了。

所以，需要絕緣層。為什么o x i d e （o rdielectric）而不是insulator。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。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幸運(yùn)的事情。有人曾經(jīng)感慨，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?？s小尺寸的過(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?？梢韵胂鬄榇┻^(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。

但是在另一方面，晶體管的開(kāi)關(guān)性能、工作電流等等，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，會(huì)達(dá)到理想化的60mV/dec的SS極限指標(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，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2 nm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)娜祟悾_(kāi)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(kāi)關(guān)性能）。

于是大家就開(kāi)始找，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(tīng)都沒(méi)有聽(tīng)過(guò)。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。

圖 4 三柵極晶體管結(jié)構(gòu)

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(kāi)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，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)榻饘儆幸粋€(gè)效應(yīng)叫做鏡像電荷，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。至于這種或這幾種金屬究竟是什么，除了掌握技術(shù)的那幾家企業(yè)之外，外界沒(méi)有人知道，是商業(yè)機(jī)密。于是摩爾定律再次勝利。

（2）3 2 n m 第二代的high-k絕緣層/金屬柵工藝。因?yàn)?/span>45 nm 英特爾取得了巨大的成功（在很多晶體管、微處理器的發(fā)展圖上，45 nm 這一代的晶體管，會(huì)在功耗、性能等方面突然出現(xiàn)一個(gè)較大的進(jìn)步標(biāo)志），32 nm 時(shí)候繼續(xù)在基礎(chǔ)上改換更好的材料，繼續(xù)了縮小尺寸的老路。當(dāng)然，前代的Ge strain 工藝也是繼續(xù)使用的。

（3）22 nm FinFET（英特爾成為Tri-gate）三柵極晶體管。

這一代的晶體管，在架構(gòu)上進(jìn)行了一次變革。變革的最早設(shè)計(jì)可以追溯到伯克利的胡正明教授2000年左右提出的三柵極和環(huán)柵晶體管物理模型，后來(lái)被英特爾變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。

圖4 是FinFET一般模型。它的實(shí)質(zhì)上是增加了一個(gè)柵極。直觀地說(shuō)，如果看回前面的那張“標(biāo)配版”的晶體管結(jié)構(gòu)圖的話，在尺寸很短的晶體管里面，因?yàn)槎虦系佬?yīng)，漏電流是比較嚴(yán)重的。而大部分的漏電流，是通過(guò)溝道下方的那片區(qū)域流通的。溝道在圖上并沒(méi)有標(biāo)出來(lái)，是位于氧化絕緣層以下、硅晶圓表面的非常非常?。?/span>1～2 nm）的一個(gè)窄窄的薄層。溝道下方的區(qū)域被稱為耗盡層，就是大部分的淺色區(qū)域。

圖 5 SOI（絕緣層上硅）晶體管結(jié)構(gòu)

圖 6 FinFET晶體管結(jié)構(gòu)

2.5 聰明的IBM，天才的英特爾。

于是有人就開(kāi)始想啊，既然電子是在溝道中運(yùn)動(dòng)，那么我為何非要在溝道下面留有這么一大片耗盡層呢。當(dāng)然這是有原因的，因?yàn)槲锢砟Ｐ托枰@片區(qū)域來(lái)平衡電荷。但是在短溝道器件里面，沒(méi)有必要非要把耗盡層和溝道放在一起，等著漏電流白白地流過(guò)去。于是有人（IBM）開(kāi)了一個(gè)腦洞：把這部分硅直接拿掉，換成絕緣層，絕緣層下面才是剩下的硅，這樣溝道就和耗盡層分開(kāi)了，因?yàn)殡娮觼?lái)源于兩極，但是兩極和耗盡層之間，被絕緣層隔開(kāi)了，這樣除了溝道之外，就不會(huì)漏電了。比如圖5這樣。這個(gè)叫做SOI（絕緣層上硅）[10]，雖然沒(méi)有成為主流，但是因?yàn)橛衅鋬?yōu)勢(shì)，所以現(xiàn)在還有制造廠在搞。

有人（英特爾）又想了，既然都是拿掉耗盡層的硅，插入一層氧化層，那么為什么非要放上一堆沒(méi)用的硅在下面，直接在氧化層底下，再弄一個(gè)柵極，兩邊夾著溝道，豈不是更好。看看IBM，是否有雄心。但是英特爾還覺(jué)得不夠，又想，既然如此，有什么必要非得把氧化層埋在硅里面。把硅弄出來(lái)，周圍像三明治一樣地被包裹上絕緣層，外面再放上柵極，豈不是更加優(yōu)化。于是就有了FinFET，圖6這種。FinFET勝出在于，不僅大大降低了漏電流，而且因?yàn)橛卸嘁粋€(gè)柵極，這兩個(gè)柵極一般都是連在一起的，因此等于大大地增加了前面說(shuō)過(guò)的那個(gè)絕緣層電容，也就是大大地提升了晶體管的開(kāi)關(guān)性能。所以又是一次革命式的進(jìn)步。

圖 7 14 nmFinFET結(jié)構(gòu)

這個(gè)設(shè)計(jì)其實(shí)不難想到，難的是，能夠做到。為什么呢。因?yàn)樨Q起來(lái)的那一部分硅，也就是用作溝道的硅，太薄了，只有不到10 nm，不僅遠(yuǎn)小于晶體管的最小尺寸，也遠(yuǎn)小于最精密的光刻機(jī)所能刻制的最小尺寸。于是如何把這個(gè)Fin 給弄出來(lái)，還得弄好，成了真正的難題。

英特爾的做法是很聰明的，解釋起來(lái)需要很多張工藝流程圖。但是基本原理是，這部分硅不是光刻出來(lái)的，而是長(zhǎng)出來(lái)的。它先用普通精度的光刻刻出一堆架子，然后再沉淀一層硅，在架子的邊緣就會(huì)長(zhǎng)出一層很薄的硅，然后再用選擇性的刻蝕把多余的材料弄走，剩下的就是這些立著的、超薄的硅Fin了。當(dāng)時(shí)說(shuō)出這套方法的時(shí)候，徹底絕了。14 nm 繼續(xù)FinFET。接著是英特爾的14 nm 晶體管的SEM橫截面圖，大家感受一下，Fin的寬度只有平均9 nm。當(dāng)然了，在所有的后代的技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，前代的技術(shù)也是繼續(xù)整合采用的。所以現(xiàn)在，在業(yè)界和研究中，一般聽(tīng)到的晶體管，都被稱作high-k / metalgate Ge-strained 14 nm FinFET（圖7），整合了多年的技術(shù)精華。

2.6 為摩爾定律的延續(xù)而奮斗

而在學(xué)術(shù)界，近些年陸續(xù)搞出了各種異想天開(kāi)的新設(shè)計(jì)，比如隧穿晶體管、負(fù)電容效應(yīng)晶體管、碳納米管等等。所有這些設(shè)計(jì)，基本是四個(gè)方向，材料、機(jī)理、工藝、結(jié)構(gòu)。而所有的設(shè)計(jì)方案，其實(shí)可以用一條簡(jiǎn)單的思路概括，就是前面提到的那個(gè)SS值的決定公式，里面有兩項(xiàng)相乘組成：

（For this expression. The first term could be seen as electrostatics, the second term could be seen

as transport. This is not a very physically strict way todescribe, but it provides a convenient picture of variousways to improve transistor properties.）

因此，改進(jìn)要么是改善晶體管的靜電物理（electrostatics），這是其中一項(xiàng)，要么改善溝道的輸運(yùn)性質(zhì)（transport），這是另一項(xiàng)。而晶體管設(shè)計(jì)里面，除了考慮開(kāi)關(guān)性能之外，還需要考慮另一個(gè)性能，就是飽和電流問(wèn)題。很多人對(duì)這個(gè)問(wèn)題有誤解，以為飽不飽和不重要，其實(shí)電流能飽和才是晶體管能夠有效工作的根本原因，因?yàn)椴伙柡偷脑挘w管就不能保持信號(hào)的傳遞，因此無(wú)法攜帶負(fù)載，換言之只中看，不中用，放到電路里面去，根本不能正常工作的。

舉個(gè)例子，有段時(shí)間石墨烯晶體管很火，石墨烯作溝道的思路是第二項(xiàng)，就是輸運(yùn)，因?yàn)槭┑碾娮舆w移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)地完爆硅。但直到目前，石墨烯晶體管還沒(méi)有太多的進(jìn)展，因?yàn)槭┯袀€(gè)硬傷，就是不能飽和電流。但是，去年貌似聽(tīng)說(shuō)有人能做到調(diào)控石墨烯的能帶間隙打開(kāi)到關(guān)閉，石墨烯不再僅僅是零帶隙，想來(lái)這或許會(huì)在晶體管材料方面產(chǎn)生積極的影響。

在2016 年的IEDM會(huì)議上，臺(tái)積電已經(jīng)領(lǐng)先英特爾，發(fā)布了7 nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)的晶體管樣品，而英特爾已經(jīng)推遲了10 nm 的發(fā)布。當(dāng)然，兩者的技術(shù)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，臺(tái)積電的7 nm 其實(shí)相當(dāng)于英特爾的10 nm，但是臺(tái)積電率先拿出了成品。三星貌似也在會(huì)上發(fā)表了自己的7 nm 產(chǎn)品?？梢钥闯?，摩爾定律確實(shí)放緩了。22 nm 是在2010 年左右出來(lái)的，到了2017年現(xiàn)在，技術(shù)節(jié)點(diǎn)并沒(méi)有進(jìn)步到10 nm 以下。

而且2016 年，ITRS已經(jīng)宣布不再制定新的技術(shù)路線圖，換言之，權(quán)威的國(guó)際半導(dǎo)體機(jī)構(gòu)已經(jīng)不認(rèn)為，摩爾定律的縮小可以繼續(xù)下去了。這就是技術(shù)節(jié)點(diǎn)的主要現(xiàn)狀。

3 結(jié)語(yǔ)

技術(shù)節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)步，是不是一定就是壞事。其實(shí)不一定。28 nm 這個(gè)節(jié)點(diǎn)，其實(shí)不屬于前面提到的標(biāo)準(zhǔn)的dennard scaling 的一部分，但是這個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，直到現(xiàn)在，仍然在半導(dǎo)體制造業(yè)界占據(jù)了很大的一塊市場(chǎng)份額。臺(tái)積電、中芯國(guó)際等這樣的大代工廠，都是在28 nm 上玩得很轉(zhuǎn)的。為何，因?yàn)檫@個(gè)節(jié)點(diǎn)被證明是一個(gè)在成本、性能、需求等多方面達(dá)到了比較優(yōu)化的組合的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，很多芯片產(chǎn)品，并不需要使用過(guò)于昂貴的FinFET技術(shù)，28 nm能夠滿足自己的需求。

但是有一些產(chǎn)品，比如主流的CPU、GPU、FPGA、memory等，其性能的提升有相當(dāng)一部分是來(lái)自于芯片制造工藝的進(jìn)步。所以再往后如何繼續(xù)提升這些產(chǎn)品的性能，是很多人心中的問(wèn)號(hào)，也是新的機(jī)會(huì)。

-End-