晶体管制造工艺技术前瞻.docx

最新晶体管制造工艺技术前瞻
制程的历史与演进
CPU制程技术发展到今天，其尺寸已经从1971年Intel发布的4004CPU时的10μm进化到了今天的32nm级别，Intel公司最新推出的新款处理器—代号Westmere的32nm制程处理器(见图1)就是目前顶尖制程工艺的代表。台积电也计划于年内推出其28nm制程工艺，另外一家主要的芯片制造厂商GlobalFoundries公司则计划于年内推出基于SOI的32nm制程工艺和基于体硅的28nm制程工艺。
图1：45nm制程和32nm制程
不过，从早期的Intel486时代发展到目前的Westmere，各家厂商制造CPU的制程基本都是基于传统的平面型晶体管结构，熟悉MOSFET结构的爱好者都知道，所谓的平面型晶体管，指的是MOSFET的漏极、源极、栅极、沟道以及基体结构的横断面位于同一平面上的晶体管结构，如图2所示：
图2
需要说明的是，即便是传统的平面型晶体管技术，业界也存在两种不同的流派，上图中左侧的称为传统的体硅技术(BulkSI)，而右侧的则是相对较新的绝缘层覆硅(SOI)技术，两者的区别在于后者在硅基体顶部增加了一层埋入式氧化物(BOX)层，而BOX上则覆有一层相对较薄的硅层。Intel是体硅技术的坚定支持者，而IBM/AMD则是SOI技术的绝对守护者。
尽管历经了数十年风雨的平面型晶体管制造技术发展至今已经相当的成熟，对各家厂商而言也是最经济的制造技术，但随着晶体管关键尺寸的不断缩小，平面型晶体管技术的瓶颈现象越来越严重。那么是在现有的部分耗尽型平面晶体管(为了行文方便，下文如不作特别说明均用传统平面型晶体管表示部分耗尽型平面晶体管)技术上进行新技术研究还是抛弃现在的传统平面型晶体管以求创新呢？下面我们就以这两个方向作分别阐述。
延续现有晶体管架构
应变硅与HKMG——延续传统平面型晶体管的希望
在过去的几十年中，为了延续传统平面型晶体管制造技术的寿命，弥补关键尺寸缩小给传统平面型晶体管带来的负面效应，以Intel、台积电、AMD(也就是现在的GlobalFoundries)为代表的制造厂商已经开发出了很多能够改善传统平面型晶体管性能的技术，这些技术中，已经投入商用的技术尤以面向改善沟道性能的应变硅技术和改善栅极性能的HKMG(High-K栅氧化物层+金属栅极，此后简称HKMG)技术为代表，自从Intel在90nm制程的Pentium4处理器上首次启用应变硅技术之后，这两种主要的辅助技术便成了各家厂商开发制程技术的两大热点，各家厂商均先后在自家制程工艺中加入了类似的技术，Intel和AMD包括台积电都在90～32nm的演进过程中采用了应变硅技术和HKMG技术，尽管他们的具体实现手法不同。为了读者能够更好的理解本文，下面我们就对这两种技术进行简单的介绍。
a.应变硅技术
注意图3中的“启用eSiGe(嵌入式硅锗)材料”，指的便是专门用于改善传统平面型晶体管管沟道性能的应变硅技术中的一种，应变硅技术的实质是改善沟道中空穴/电子流动的速度。
图3
eSiGe技术主要面向PMOS管，其原理是在PMOS管的漏源区外延生长一层晶格常数(即晶格原子之间的距离)比PMOS沟道中硅材料的晶格常数更大的SiGe层，以此来生成对PMOS管沟道压缩应力的技术，其原理如图3所示。根据研究，当向PMOS管沟道施加纵向(即栅极宽度方向)的压缩应力时，可以大大改善沟道的载流子移动性，提升效率。
PMOS是指N型衬底、P沟道，靠空穴的流动运送电流的MOS管，全称为P-channelMetalOxideSemiconductorFET；NMOS是指P型衬底，N沟道，依靠电子的流动来运行电流的MOS管。全称为N-channelMetalOxideSemiconductorFET。
b.HKMG技术
HKMG是以High-K绝缘层替代传统的SiO２氧化层，并以金属材料栅极替换旧有的硅材料栅极的一项技术，这项技术主要有助于晶体管开关速度的提升，并可减小栅极的漏电流。我们可以看到，Intel、AMD和台积电都在自己的制程工艺规划中加入了HKMG技术，说明这项技术得到了三巨头的普遍认可。图4是Intel45nm制程NMOS管的HKMG结构实物图：因为篇幅有限再加上这两个技术点非常复杂，这里就不对应变硅和HKMG进行展开描述了。
图4
看到这里可能你会问，应变硅和HKMG技术不就可以让传统平面型晶体管一直延续下去了吗？非也，当制程下降到15nm以下后，传统平面型晶体管本身的技术壁垒将成为很难逾越的大山，除非在这段时间内又有新的“奇兵”技术出现。
传统平面型晶体管技术的瓶颈
尽管应变硅和HKMG技术曾经相当有效，而且在过去的一段时间里也起到了成功延续传统平面型晶体管寿命的重要作用，但以栅极宽度为代表的关键尺寸的不断减小