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  • 發布時間:2020-10-12 11:11 原文鏈接: 一篇文章說清半導體制程發展史(二)

    第二個問題,為什么現在的技術節點不再直接反應晶體管的尺寸呢?

    原因也很簡單,因為無法做到這個程度的縮小了。有三個主要原因:

    首先,原子尺度的計量單位是埃,為0.1nm。

    10nm的溝道長度,也就只有不到100個硅原子而已。未來晶體管物理模型是這樣的:用量子力學的能帶論計算電子的分布,但是用經典的電流理論計算電子的輸運。

    電子在分布確定之后,仍然被當作一個粒子來對待,而不是考慮它的量子效應。因為尺寸大,所以不需要。但是越小,就越不行,就需要考慮各種復雜的物理效應。

    其次,即使用經典的模型,性能上也出了問題,這個叫做短溝道效應,其效果是損害晶體管的性能。

    短溝道效應其實很好理解,通俗地講,晶體管是一個三個端口的開關,其工作原理是把電子從一端(源端)送到另一端(漏端),這是通過溝道進行的,另外還有一個端口(柵端)的作用是,決定這條溝道是打開的,還是關閉的。這些操作都是通過在端口上加上特定的電壓來完成的。

    晶體管性能依賴的一點是,必須要打得開,也要關得緊。短溝道器件,打得開沒問題,但是關不緊,原因就是尺寸太小,內部有很多電場上的互相干擾,以前都是可以忽略不計的,現在則會導致柵端的電場不能夠發揮全部的作用,因此關不緊。關不緊的后果就是有漏電流,簡單地說就是不需要、浪費的電流。

    可不能小看這部分電流,因為此時晶體管是在休息,沒有做任何事情,卻在白白地耗電。目前,集成電路中的這部分漏電流導致的能耗,已經占到了總能耗的近50%,所以也是目前晶體管設計和電路設計的一個最主要的難題。

    第三,制造工藝也越來越難做到那么小的尺寸了。

    決定制造工藝的最小尺寸的,叫做光刻機。它的功能是,把預先印制好的電路設計,像洗照片一樣洗到晶片表面上去,在我看來就是一種bug級的存在,因為吞吐率非常地高。否則那么復雜的集成電路,如何才能制造出來呢?比如英特爾的奔騰4處理器,據說需要30~40多張不同的設計模板,先后不斷地曝光,才能完成整個處理器的設計印制。

    但是光刻機,顧名思義,是用光的,當然不是可見光,但總之是光。

    而稍有常識就會知道,所有用光的東西,都有一個問題,就是衍射。光刻機也不例外。

    因為這個問題的制約,任何一臺光刻機所能刻制的最小尺寸,基本上與它所用的光源的波長成正比。波長越小,尺寸也就越小,這個道理是很簡單的。

    目前的主流生產工藝采用荷蘭艾斯摩爾生產的步進式光刻機,所使用的光源是193nm的氟化氬(ArF)分子振蕩器產生的,被用于最精細尺寸的光刻。

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

    有人會問,為何沒有衍射效應呢?

    答案是業界10多年來在光刻技術上投入了巨資,先后開發了各種魔改級別的暴力技術,諸如浸入式光刻(把光程放在某種液體里,因為光的折射率更高,而最小尺寸反比于折射率)、相位掩模(通過180度反向的方式來讓產生的衍射互相抵消,提高精確度),等等,就這樣一直撐到了現在,支持了60nm以來的所有技術節點的進步。

    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,高端光刻機的光源,是世界級的工業難題。

    以上就是目前主流的深紫外曝光技術(DUV)。業界普遍認為,7nm技術節點是它的極限了,甚至7nm都不一定能夠做到量產。下一代技術仍然在開發之中,被稱為極紫外(EUV),其光源降到了13nm。但是別高興地太早,因為在這個波長,已經沒有合適的介質可以用來折射光,構成必須的光路了,因此這個技術里面的光學設計,全部是反射,而在如此高的精度下,設計如此復雜的反射光路,本身就是難以想象的技術難題。

    這還不算(已經能克服了),最難的還是光源,雖然可以產生所需的光線,但是強度遠低于工業生產的需求,造成EUV光刻機的晶圓產量達不到要求,換言之,拿來用就會賠本。一臺這種機器就上億美元。所以EUV還屬于未來。

    基于以上三個原因,其實很早開始就導致晶體管的尺寸縮小進入了深水區,越來越難,到了22nm之后,已經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化的晶體管設計,配合CPU架構上的多核多線程等一系列技術,繼續為消費者提供相當于更新換代了的產品性能。

    目前,技術節點的數字仍然在縮小,但是已然不再等同于晶體管的尺寸,而是代表一系列構成這個技術節點的指標的技術和工藝的總和。


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