下代制程何去何從制造工藝發展史回顧

九門奇人

32nm成為公認的未來發展方向

目前半導體廠商所面臨的挑戰之一，就是工程師已經無法自如應用很多決定性能密度以及功耗的重要參數。在45nm制程這一節點上，在做到漏電控制的同時，物理柵極的厚度已經再無法減少了。一旦硅氧氮化物(錫永)柵極材料變薄，就會使得漏電不斷增加。于是相關改進意見非常清楚了，這就是半導體技術未來需要從SiON向H。gh-K／metel柵極發展，以保持Effective Oxide Thickness(EOT)的連續性，同時實現32nm及更精細的氧化物物理層厚度。

當年Intel曾展示了使用了45nm High-K／metel柵極來截止電流。自2007年未，Intel已經推出了基于45nm工藝的處理器產品(Penryn)，而該公司在2007年公布的IEEDM報告，也是半導體界首次對High-K／metel柵極所能獲得的成就進行展望。

而在EDM大會的處理器技術會議上，業界的焦點變成了向32nm轉移。會上出現了五種不同的有關32nm--藝的論文，不過每篇都是基于High-k柵電介質Metal Gate，實現了在增加管線控制的同時減少漏電。向HIgh-K／metal柵極的轉移，對于整個業界來說絕對是一次挑戰，并且將會加速芯片產業的整合。這成為了其中幾個45nm前忠實擁護者的轉折點，他們最終選擇了發展新的工藝技術。

無論是德州儀器或者是富士通，都是以高性能的工藝技術而聞名，并且與多家實力強勁的CPU設計團隊擁有合作關系。這兩家公司在代工合作伙伴的選擇上都是TSMC，無論這樣的決定是否因為HIgh-K／metal技術高昂的開發成本，但是現在的情況對于兩家公司而言都不會感到輕松。目前這兩家公司承受著沉重的財政壓力，而工藝的發展與升級的代價則無法想象的高昂。

所有的人都會同意High-K／metel柵極需要CMOS技術繼續有效的發展。不過這里幾家公司之間也存在激烈的討論，也就是關于什么是柵極堆棧最佳技術方面的討論。這里主要有兩種方法，分別為“gate first”和“gate Iast”。Intel是“gate last”的堅定支持者，而其他公司則傾向于使用“gate first”技術。

Intel的45nm工藝已經被多家不同的逆向工程公司所分析，而其“gate first”32nm工藝自然也被徹底得進行了檢驗。結果就是，“gate replacement”(gate last)很少有技術夠應用在“gate first”工藝上，比如硅基與High-K柵極之間的第一個中間層，而其他技術無法使用。

比較起來，“gate first”與當前的SiON柵極和多晶硅柵極堆棧(polysilicon gate stacks)有些相似。基于High－K halfnium的柵極和金屬電極材料都不是傳統材料，“gate first”技術的一個難題就是，找出能夠抵抗高溫的晶體管堆棧(超過1000攝氏度)，而且還需要與適變技術要求一致。“gate first”技術的支持者表示，該技術更簡單并且可以更好地適應將來節點的發展。

兩次圖形曝光技術是關鍵

隨著工藝的不斷提升，在沒有找到193nm ArF光源的替代之前，印刷技術正面臨著越來越嚴竣的考驗。這里有兩種改善方案：減少k1或者增加數值孔徑(NumericaAperture)。去年幾乎所有的半導體廠商(除了Intel)，均宣布將會在45nm節點使用ImmersionLlthography(沉浸式光刻)技術來滿足未來的需求，大家最熟悉的可能就要算AMD的羿龍龍Ⅱ處理器了。

為了獲得32nm工藝上期望的尺寸值業界統一的意見認為，兩次圖形曝光是所需要的光刻技術。來自東芝和NEC的相關論文，也顯示了標準單次曝光的不適應性。幸運的是，兩次圖形曝光光刻工具要比沉浸式光刻破裂要少。當然另一個問題就是，當未來推出22nm工藝之后，會需要什么樣的額外技術。

最新生產工藝技術對比

在制程工藝中，往往通過對比當前高精度芯片技術下的NFET(X-axis)和PFET(Y-axis)性能來評定優劣。從結果來看，IBM和Intel的晶體管性能最強，其中Intel PMOS性能高出7％。這也表示Intel、IBM和AMD設計團隊的設計基礎是基本接近的。根據介紹，Inte將會在2009年晚些時候推出32nm工藝，這要比IBM和AMD領先將近一年。這也意味著在將近一年的時間里，Intel將會擁有性能上的優勢。

IBM 45nm High-K／metal柵極SOI工藝給人的印象相當深刻，基本上體現了32nm工藝的性能。不過從描述來看應該是以研究為主，可能并不會實際生產。不過令人驚訝的是，Intel較老的45nm High-K／metal工藝則經受住了考驗。當然如果讓其與32nm High-K／metal工藝進行競爭，是肯定沒有指望的。

IBM與TSMC均展示了32nm bulk工藝出色的性能，以及相對于當前45nm工藝的提升。IBM與TSMC兩家公司基本相同，但是有略有區別，其中TSMC的PFETs性能更好，但是在NFET性能上要略遜一籌。

32nm制程繼續引領芯片革命

再次回到我們熟悉的DIY領域，目前行業巨頭Intel即將發布具備業界領先特性的32nm邏輯技術，同時Intel也是第一家演示了可運行32nm處理器的廠商。目前Intel的32nm工藝已經準備就緒，計劃于2009年第四季度投入生產，這項工藝的CPU和SoC版本即將推出。作為一家芯片集成電路制造商，Intel憑借強大研發使我們能夠繼續按照每兩年的發展節奏繼續推出未來幾代的芯片制程技術。至于下一代制程技術何時真正成熟，讓我們拭目以待吧。

知識鏈接：什么是制程工藝

通常我們所說的CPU“制作工藝”指的是在生產CPU過程中，要加工各種電路和電子元件。精度越高，生產工藝越先進。在同樣的材料中可以制造更多的電子元件，連接線也越細，提高CPU的集成度，CPU的功耗也越小。

制造工藝的納米是指IC內電路與電路之間的距離。制造工藝的趨勢是向密集度愈高的方向發展。密度愈高的IC電路設計，意味著在同樣大小面積的IC中，可以擁有密度更高、功能更復雜的電路設計。微電子技術的發展與進步，主要是靠工藝技術的不斷改進，使得器件的特征尺寸不斷縮小，從而集成度不斷提高。功耗降低，器件性能得到提高。

總體來說，更先進的制成工藝需要更久的研制時間和更高的研制技術，但是更先進的制成工藝可以更好地提高中央處理器的性能，并降低處理器的功耗，另外還可以節省處理器的生產成本，以便降低售價。