你聽(tīng)說(shuō)過(guò)晶體管微縮嗎？是怎么回事？

你聽(tīng)說(shuō)過(guò)晶體管微縮嗎?晶體管微縮是什么情況?作為硬件工程師，不可不知。半導(dǎo)體行業(yè)中，“微縮(Scaling)”是一個(gè)經(jīng)常出現(xiàn)的詞語(yǔ)，比方說(shuō)，我們經(jīng)常在半導(dǎo)體行業(yè)的新聞中聽(tīng)到有關(guān)晶體管微縮(即把納米級(jí)(Nano-scale)的尺寸縮小至原子級(jí)別)的信息?；蛘撸覀冇衷?tīng)說(shuō)過(guò)，我們?nèi)粘Ｊ褂玫闹悄苁謾C(jī)等電子設(shè)備由于采用了容量較大(Scaling)的存儲(chǔ)半導(dǎo)體，因此能夠存儲(chǔ)清晰度較高的視頻。無(wú)論什么樣的新聞，基本都意味著微縮(Scaling)的進(jìn)步。

以上這些進(jìn)步都是由元件接觸面積(Footprint)的縮小、三維結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大、新材料和革新結(jié)構(gòu)的采用所帶來(lái)的效果。如今的數(shù)字時(shí)代因以上這些技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步而得以成立。如今，使我們的日常生活發(fā)生翻天覆地變化的電子設(shè)備是由于微縮(Scaling)而得以誕生的，而且，今天的我們只需動(dòng)動(dòng)手指就可以獲得海量的數(shù)字信息。

晶體管的微縮(Scaling)

就半導(dǎo)體的微縮(Scaling)而言，摩爾定律是眾所周知的。即當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目每隔 18 個(gè) -24 個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。

最近幾十年來(lái)，隨著光刻(Lithography，在晶圓表面影印成線路圖案的加工技術(shù))和等離子蝕刻(Plasma Etching)技術(shù)的進(jìn)步，半導(dǎo)體行業(yè)正在逐步縮小晶體管這一重要的(或者說(shuō)是不可或缺的)構(gòu)成要素，且獲得了較大的發(fā)展。

此外，就半導(dǎo)體的技術(shù)節(jié)點(diǎn)(Technology Node)而言，一般指的是晶體管的閘極(Gate)的長(zhǎng)度。比方說(shuō)，所謂 0.5um 的技術(shù)節(jié)點(diǎn)指的就是閘極(Gate)長(zhǎng)度為 0.5um 的晶體管。但是，隨著時(shí)代的發(fā)展，技術(shù)節(jié)點(diǎn)的定義也在變化，如今不再是晶體管相關(guān)的主要部分的尺寸指標(biāo)，而僅是指代元件的代際的名稱。但是，隨著節(jié)點(diǎn)的微縮發(fā)展，人們對(duì)于提高元件的性能和功率、削減生產(chǎn)成本的目標(biāo)從來(lái)沒(méi)有改變過(guò)。

高性能晶體管在 20nm 節(jié)點(diǎn)前后達(dá)到了微縮的極限。半導(dǎo)體行業(yè)的工程師們不得不探索其他設(shè)計(jì)晶體管的方法，因?yàn)槿绻s小平面型(Planar)晶體管的水平尺寸，將會(huì)產(chǎn)生其他問(wèn)題。

就三維 FinFET(鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的結(jié)構(gòu)而言，晶體管的主要構(gòu)成要素相對(duì)于硅晶圓而言較立體，因此不會(huì)減少晶體管的溝道(Channel)的容量，而是縮小元件的接觸面積(Footprint)。就 FinFET 的微縮而言，作為提高元件性能的方法，一般是在提高 Fin 的高度的同時(shí)，為提高每個(gè)單元(Unit)面積的元件密度而縮小水平尺寸。

為了維持晶體管的微縮，以及獲得高性能、低功耗、低成本的元件，近年來(lái)實(shí)施的方法是往硅里添加鍺(Germanium)，但要用 FinFET 技術(shù)超越 5nm 的節(jié)點(diǎn)，還是需要新材料!此外，壓層納米板(Nano Sheet)、納米線(Nano Wire)等新的材料很有可能成為新的解決方案。要對(duì)這些新材料進(jìn)行加工，毫無(wú)疑問(wèn)，微縮是必須的，且靈活運(yùn)用原子層級(jí)別的成膜以及蝕刻工藝都是必須的。

接觸(Contact)層的微縮(Scaling)

如果縮小晶體管的尺寸，為了連接晶體管、排線層，就需要整體縮小接觸(Contact)層的尺寸。隨著代際的進(jìn)步以及局部?jī)?nèi)部聯(lián)系(Inter-connect)的密度越來(lái)越高，如果進(jìn)一步推進(jìn)微縮的發(fā)展，如今主流的銅配線將會(huì)面臨嚴(yán)重的課題。比方說(shuō)，如果要進(jìn)一步降低配線的寬幅、高度，則銅配線的電阻將會(huì)大幅度增高。半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家在靈活運(yùn)用既能防止銅污染又具有較高電阻值的新阻擋(Barrier)材料、新襯墊(Liner)材料的同時(shí)，力求減小阻擋(Barrier)層、襯墊(Liner)層的空間。另一種可能性是使用一種不需要阻擋(Barrier)層的其他金屬來(lái)取代銅，或者使用其他金屬與銅的合金。

存儲(chǔ)半導(dǎo)體容量的微縮(Scaling)-- 即容量的擴(kuò)大

3D NAND 的存儲(chǔ)半導(dǎo)體容量的微縮(Scaling)是通過(guò)垂直方向的堆疊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。就存儲(chǔ)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)而言，單元(Cell)密度與堆疊層的層數(shù)成比例地增加。初期的 3D NAND 一般采用的是 24 層構(gòu)造的芯片，如今 96 層、128 層構(gòu)造的芯片已經(jīng)量產(chǎn)，因此預(yù)計(jì)堆疊層數(shù)將會(huì)進(jìn)一步增加。而且，每一層都需要均勻、光滑，且與下層緊密結(jié)合，因此堆疊層數(shù)帶來(lái)的課題也增加了。

堆疊層數(shù)的持續(xù)增加帶來(lái)了存儲(chǔ)半導(dǎo)體容量的擴(kuò)大，而存儲(chǔ)半導(dǎo)體容量的擴(kuò)大又使具有較高縱深比(Aspect)的存儲(chǔ)孔(Memory Hole)的蝕刻、階梯(Staircase)圖形的定義、字線(Word-line)的鎢填充等后續(xù)工藝更加復(fù)雜。此外，如果溝道(Channel)長(zhǎng)度變長(zhǎng)，電子遷移率會(huì)受到限制，影響設(shè)備的性能。眼下，人們正在推進(jìn)運(yùn)用重要的成膜工藝以及蝕刻工藝來(lái)切實(shí)推進(jìn)新代際的發(fā)展。

匯總

如今最尖端的芯片毫無(wú)疑問(wèn)是迄今為止設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的產(chǎn)品中最先進(jìn)的元件，也是歷經(jīng)幾十年人們推進(jìn)微縮的直接成果。今天的縮小水平方向尺寸的、謀求縱向堆疊的元件所要求的性能(Performance)和成本(Cost)優(yōu)勢(shì)會(huì)因?yàn)榘雽?dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的進(jìn)步、生產(chǎn)設(shè)備廠家和芯片廠家的強(qiáng)化合作而得以實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)半導(dǎo)體的微縮(Scaling)發(fā)展，我們的工作、通勤、娛樂(lè)、通信方式獲得了翻天覆地的變化。作為改革(Innovation)的方向性，我們期待“More Moore(延續(xù)摩爾定律)”可以持續(xù)下去。作為支撐半導(dǎo)體行業(yè)得以發(fā)展的另一個(gè)方向性—-- 將各種各樣的技術(shù)融合到各種各樣的構(gòu)造、系統(tǒng)中的“More than Moore(新摩爾定律、超越摩爾定律)”戰(zhàn)略也頗受矚目。

未來(lái)，我們需要同時(shí)推進(jìn)以上這兩個(gè)方向的進(jìn)步，但是，要推進(jìn)實(shí)現(xiàn)更智能(Smart)、更互聯(lián)(Connected)的社會(huì)而必須的速度和性能需要被應(yīng)用到更多的行業(yè)和領(lǐng)中。以上就是晶體管微縮解析，希望能給大家?guī)椭?