半导体制程及摩尔定律

神秘的处理器制程工艺摩尔定律指导集成电路(IC，IntegratedCircuit)工业飞速发展到今天已经40多年了。在进入21世纪的第8个年头，各类45nm芯片开始批量问世，标志着集成电路工业终于迈入了低于50nm的纳米级阶段。而为了使45nm工艺按时“顺产”，保证摩尔定律继续发挥作用，半导体工程师们做了无数艰辛的研究和改进—这也催生了很多全新的工艺特点，像大家耳熟能详的High-K、沉浸式光刻等等。按照业界的看法，45nm工艺的特点及其工艺完全不同于以往的90nm、65nm，反而很多应用在45nm制程工艺上的新技术，在今后可能贯穿到32nm甚至22nm阶段。今天就让我们通过一个个案例，来探索一下将伴随我们未来5年的技术吧。你能准确说出45nm是什么宽度吗？得益于厂商与媒体的积极宣传，就算非科班出身，不是电脑爱好者的大叔们也能知道45nm比65nm更加先进。但如果要细问45nm是什么的长度，估计很多人都难以给出一个准确的答案。而要理解这个问题，就要从超大规模集成电路中最基本的单元—MOS(MetalOxideSemiconductor金属氧化物半导体)晶体管说起。我们用半导体制作MOS管就是利用其特殊的导电能力来传递0或者1的数字信号。在栅极不通电的情况下，源区的信号很难穿过不导电的衬底到达漏区，即表示电路关闭(数字信号0)；如果在栅极和衬底间加上电压，那么衬底中的电荷就会在异性相吸的作用下在绝缘氧化层下大量聚集，形成一条细窄的导电区，使得源区和漏区导通，那么电流就可以顺利从源区传递到漏区了(信号1)。这便是MOS最基本的工作原理。在一块高纯硅晶圆上(在工艺中称为“P型半导体衬底”)通过离子扩散的方法制作出两个N型半导体的阱——通俗地讲P型是指带正电的粒子较多，N型则是带负电的粒子比较多。再通过沉积、光刻、氧化、抛光等工艺制造成如图中所示的MOS管，两个阱的上方分别对应源区(source)和漏区(drain)，中间的栅区(gate)和下方的衬底中间用一层氧化绝缘层隔开。我们通常说的90nm或者45nm工艺，就是指的栅极下方两个阱之间的长度，称之为导电沟道长度。上图中给我们勾勒出来的是一个NMOS，当栅极接正向电压时，NMOS会导通。事实上还存在另外一种PMOS，其性质完全相反，当栅极接负电时，通过在绝缘区下方聚集正电荷来导通。在实践中，工程人员很快就发现了单个MOS管在作为逻辑电路导通时，会有源源不断的电流通过，这使得MOS管功率居高不下。而事实上我们只需要传递信号就行了，无论是用电流，又或者是用电压方式，而不需要MOS管有较高的功耗。为了降低MOS管的工作功耗，可科学家们又开发了CMOS(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor互补金属氧化物半导)电路。CMOS的电路结构物如其名，CMOS中包含NMOS和PMOS各一个，并且串联在一起。由于PMOS和NMOS的导通特性正好相反，因此无论什么时候都只有一个MOS管导通，另一个必然关闭。这样就起到了传递电压信号，但是无电流功的产生。理论上CMOS的静态功耗应该为0，但是受材料和制造工艺的限制，CMOS的实际功耗却是不能忽略不计的，这样也就有了后面的各种改良工艺。High-K工艺和Low-K工艺为什么能够共存？在步入45nm生产工艺之后，英特尔高调宣布引入High-K工艺以降低芯片功耗，那与此同时，是不是意味着已经使用多年的Low-K工艺要被淘汰呢？很多人都会有这样的想法，因为从名字上看，二者是完全相反的两个极端。其实真正的情况并不是那么回事，两个工艺完全用在不同的地方，所要实现的功能也大相径庭。要解释清楚这个问题，我们就要先弄清楚“K”是什么意思。电容的物理学描述是C=Q/U，即每升高1V电压，电容中增加的电量。而在实际电路中C正比于K/D，其中K为绝缘介质的介电常数单位，D是两电极之间的距离。这样我们就可以看清楚Low-K工艺的发展历程。电容的基本组成结构要求两端是导体，中间是绝缘体。由于电容的存在，要改变两导体极板之间的电势差(即相对电压大小)就要先给电容充放电，才能让电压稳定下来，这势必会给信号造成延迟。我们知道芯片上不仅仅只有MOS管，还有无数连接各个MOS管的导线，早先这些导线使用铝材料(Al)来制作，后来改用铜(Cu)互连提供更低的电阻。问题就出在这些导线上面，两根距离很近的导线再加上中间的绝缘物，实际上已经组成了一个电容(专业名称叫做“寄生电容”)。当半导体工艺还处在0.25μm以前时，导线之间的距离D很大，寄生电容很小，所以两条导线中的信号一直是井水不犯河水。但是随着MOS管的逐渐增多，导线间的距离越来越短，寄生电容的影响越来越大—两根导线之间都是0电压，突然一根导线中的电压要从0上升到1，这时由于寄生电容的存在，上升过程就变得相对缓慢。这种延迟现象轻则拖慢整个电路的数据传递速度，严重时会造成数值读取错误，影响高频电路的正常工作。由于寄生电容的影响，本该瞬间完成的信号变化被严重滞后了。为了降低信号线相互之间的串扰，工程师们找到了一种碳掺杂氧化物(CDO，CarbonDopedOxide)。这种材料的介电常数为3K，要低于二氧化硅4.2K的介电值。用新材料来充当导线之间的“填充物”，进而减少寄生电容对芯片的影响，让信号在芯片中的传递更加快速。介绍完Low-K之后，再来看High-K。需要大家注意的是，High-K工艺是针对MOS管的改进，而不是导线电路。这里我们再来引入一个“阈值电压(Vt)”的概念。顾名思义，阈值电压就是指使MOS管导通时加在栅极的最小电压，如果栅电压低于这个电压，MOS管将关闭。常识告诉我们，要将栅极电压从0提升到Vt，或者从Vt降到0都是需要时间的，如果这个过程需要10ns，那么也就意味着这个MOS管一秒内最多变化1亿次，即MOS管最快只能有100MHz的频率。有没有办法加快MOS开关的速度呢？当然有！而且有两种方法，其一是增大栅极电压，不过这么做的副作用是功率迅速增大，这是我们绝对不能接受的；另一种则是降低阈值电压，让MOS管更容易开关。在这种思路下，CPU的工作电压从Pentium4时期的1.3V一直降到酷睿2时期的最低0.765V。MOS管在电子显微镜下的剖面图仔细研究之后，我们会发现导体栅极、绝缘层、不绝缘的衬底也能形成一个类似电容的模型。而且如果这个电容值越大，那么同样的栅极电压就能吸附更多的电荷，提高MOS管导通的速度。在这种思维的指导下，随着工艺的进步，二氧化硅绝缘层的厚度不断被减小。到90nm工艺时，二氧化硅绝缘层的厚度已经做到1.2nm，仅仅5个原子厚。极薄的二氧化硅层带来了MOS管速度的提升，也不可避免地助长了栅极漏电流，因为这么薄的“绝缘层”已经失去了绝缘的能力，大量电荷穿越二氧化硅层，通过衬底溜走。最终的结果就像是90nm的Prescott核心的Pentium4处理器，工作频率接近4GHz，同时功率也近140W。越过90nm门槛之后，单纯依靠缩小绝缘层厚度来提高MOS管开关速度已经行不通了。于是科学家们拿自半导体工业诞生几十年来都未曾碰过的绝缘层介电常数K开刀了，目标就是充当绝缘介质的二氧化硅层。在45nm生产工艺中，Intel的工程师开始使用一种新型的基于铪(Hr)的化合物作为绝缘层材料。这种High-K物质能够在厚度不变的情况下提供更大的介电能力，从而帮助MOS管运行在更高的频率之上。由于铪化合物的特殊分子结构，其绝缘能力达到传统二氧化硅的10000倍，即使是未来将绝缘层厚度降低到0.1nm时，也能充分履行绝缘的职责。为了配合新的High-K绝缘层，栅极材料也做了更新，抛弃了和新绝缘层结合不好的多晶硅，改用了新的全金属材料。故此，Intel的High-K技术全称为HKMG技术(High-KMetalGate高介电金属栅)。HKMG技术让Intel的45nm的酷睿2处理器彻底扔掉了发热量大的毛病，同时其频率提升能力也强于65nm的酷睿2，无论是从性能还是功耗上讲都重新走到了业界前面。为什么AMD（AdvancedMicroDevice）到目前仍没有使用High-K材料？有的朋友会纳闷，为什么处理器另一阵营的AMD到现在都没有使用High-K，却能很好地控制CPU的功耗呢？这就要归功于AMD自Athlon时代就开始使用SOI工艺。SOI是SiliconOnIsolator的缩写，即绝缘体上的硅技术。和传统的纯硅晶圆不同，SOI工艺使用的晶圆底部是一层绝缘层。正是这层绝缘体切断了上方MOS管漏电流的回路，使得基于SOI技术的芯片天生就有抵抗漏电流的本事。Low-K与High-K的区别正因如此AMD这么多年来，都不需要考虑太多漏电流的问题。不过按照计划，AMD将在32nm时导入High-K技术，以提高栅极控制能力。由于SOI技术来自IBM技术联盟，而IBM出于压制Intel考虑，从未将SOI技术授权给后者，才使得Intel不得不自行开发High-K技术。出水蛟龙——沉浸式光刻沉浸式光刻是AMD在45nmPhenomⅡ处理器生产中最新应用的技术之一，其区别于过去干式光刻最大的特点就是整个光刻的过程并不是发生在空气中，而是沉浸在一种光学折射率较大的透明液体中。如果按照常识去思考，也许我们只要提高掩模板的分辨率，不就能在硅片上“刻画”出更多的MOS管来吗？从宏观上讲这是完全正确的，但不要忘了在微观的半导体制造工艺中，情况会有极大的不同。你知道什么是光刻吗？光刻技术是在一片平整的硅片上构建半导体MOS管和电路的基础，这其中包含有很多步骤与流程。首先要在硅片上涂上一层耐腐蚀的光刻胶，随后让强光通过一块刻有电路图案的镂空掩模板照射在硅片上。被照射到的部分(如源区和漏区)光刻胶会发生变质，而构筑栅区的地方不会被照射到，所以光刻胶会仍旧粘连在上面。光刻的过程接下来就是用腐蚀性液体清洗硅片，变质的光刻胶被除去，露出下面的硅片，而栅区在光刻胶的保护下不会受到影响。随后就是粒子沉积、掩膜、刻线等操作，直到最后形成成品晶片。如果受到保护的栅区的光刻胶留下来的宽度是130nm，那么最终做出来的MOS管大致就是130nm；同理，45nm技术就是最初栅极上留下大约45nm宽度的光刻胶。由此可见，如果整套光刻设备的分辨率越高，它能够在晶片上定位出更细微的投影，最终就能制造出更小的MOS管。半导体工艺的更新必然伴随着光刻设备的升级，其目的就是提高分辨率。掩模板的缝隙以及投射在晶片上的阴影已经很小，这就会引发光波自身的衍射和干涉现象，导致明暗的界限不再那么分明。这样一来，就不能完成前面提到的源区、漏区以及栅区的区分标定工作，最终MOS管的尺寸和性能无法达到设计要求。如果这种模糊现象进一步加剧，就会使得源区与漏区的光影基本重叠在一起，栅区无法制造，整个晶圆也就彻底报废了。晶圆曝光过程中会因为光的衍射问题而报废因此，最大限度消除阴影就成了提高光刻分辨率的重中之重。根据光的传播汇聚理论，有一个光学中计算最小分辨率的公式：R=k1λ/nθ(瑞利判据)。R代表可分辨的最小尺寸(对于光刻技术来说，自然越小越好)，k1是工艺常数，λ是光波波长，n为光的折射率(空气中光折射率为1)，θ为两点夹角。在这个公式中，k1不可变，θ夹角也没有大幅提高的可能。因此提高分辨率，减小R的首选工作就是降低光源的光波长λ。瑞利判据在业界，250nm工艺及其以前的光刻工艺中采用水银灯(波长365nm)作为光源。为了提高光刻的分辨率，从180nm工艺开始采用波长为248nm的KrF(氟化氪)激光作为曝光光源；而从130nm到目前正在使用波长为193nm的ArF(氟化氩)激光作为曝光光源。但是到了45nm工艺时，193nm的ArF激光也遇到了分辨率不够的问题。同时受光刻其它配套设备的限制，取代ArF激光的新工艺还无法投入使用。因此必须寻找新的降低最小分辨率的工艺。于是工程师们开始考虑改善提高光刻系统中的折射率n，这就是沉浸式光刻的理论出发点。新型的沉浸式光刻机，可以明显看到液体循环通道在AMD的45nmPhenomII的生产中，整个晶圆是浸泡在去