半導(dǎo)體工藝（三）

一、半導(dǎo)體工藝現(xiàn)狀

根據(jù)《2019集成電路行業(yè)研究報(bào)告》中的數(shù)據(jù)顯示，先進(jìn)制程(28nm及以下工藝)占據(jù)市場份額48%，其它成熟工藝則占據(jù)了52%，成熟工藝才是半導(dǎo)體、芯片行業(yè)的主流。

諸多原因?qū)е潞茉玳_始就導(dǎo)致晶體管的尺寸縮小進(jìn)入了泥潭，越來越難，到了22-28nm之后，已經(jīng)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(yōu)化的晶體管設(shè)計(jì)，配合上CPU架構(gòu)上的多核多線程等一系列技術(shù)，繼續(xù)為消費(fèi)者提供相當(dāng)于更新?lián)Q代了的產(chǎn)品性能。

也就是制造工藝也越來越難做到那么小的尺寸了，而且在現(xiàn)有技術(shù)條件下并不能提高性能。以至于實(shí)際尺寸和節(jié)點(diǎn)已經(jīng)兩回事了。

那為什么做更小的尺寸那么困難?

決定制造工藝的最小尺寸的關(guān)鍵設(shè)備，叫做光刻機(jī)。

它的功能是，把預(yù)先印制好的電路設(shè)計(jì)，像洗照片一樣洗到晶片表面上去，覆蓋住需要保留的部分，然后把不需要的部分腐蝕掉，當(dāng)然中間的具體工藝更復(fù)雜有多種工序。

由于目前的主流較新生產(chǎn)工藝采用荷蘭艾斯摩爾生產(chǎn)的步進(jìn)式光刻機(jī)，所使用的光源波長是193nm，所以更小的尺寸需要靠多重曝光來達(dá)到，有的需要幾十張不同的設(shè)計(jì)模板，先后不斷地曝光，才能完成整個處理器的設(shè)計(jì)的印制。光衍射，會導(dǎo)致精確度影響越來越嚴(yán)重，難度難以想象。

經(jīng)過長時間(前后大約10年)的努力，使用了諸如浸入式光刻(把光程放在某種液體里，因?yàn)楣獾恼凵渎矢?，而最小尺寸反比于折射?、相位掩模(通過180度反向的方式來讓產(chǎn)生的衍射互相抵消，提高精確度)，終于可以生產(chǎn)60納米以下的產(chǎn)品，不過這使新工藝的成本程幾何級數(shù)提升，成品率下降，以至于難度和成本無法接受，這個能接受的極限大致在20納米(intel 14nm工藝的尺寸)，7納米(尺寸上看是假的)能做，但相對不經(jīng)濟(jì)而且有一些其他問題(性能下降、功率密度高等等)，相信你能理解intel萬年14納米了。

那為何不用更小波長的光刻機(jī)呢?

首先是光源太難，不過很難也做出來了，被稱為極紫外(EUV)，波長13.4納米。

但是這個波長，已經(jīng)沒有合適的介質(zhì)可以用來折射光，構(gòu)成必須的光路了，因此這個技術(shù)里面的光學(xué)設(shè)計(jì)，只能全部是反射，而在如此高的精度下，設(shè)計(jì)如此復(fù)雜的反射光路，本身就是難以想象的技術(shù)難題。

這個難關(guān)集全球頂尖企業(yè)也基本解決了，但是還有新的問題，那就是EUV光源的強(qiáng)度不足以維持高強(qiáng)度生產(chǎn)，做是可以做了，但是速度較慢，會賠錢!所以GF和中芯早早就放棄了，intel也苦熬中，只有只手遮天的臺積電和財(cái)大氣粗心氣比天高的三星在堅(jiān)持，而且三星的EUV7評價(jià)很差。

二、半導(dǎo)體工藝路在何方

半導(dǎo)體工藝按現(xiàn)有的機(jī)理，要么是改善晶體管的靜電物理(electrostatics)，這是其中一項(xiàng)，要么改善溝道的輸運(yùn)性質(zhì)(transport)，決定晶體管的基本性能(開關(guān)速度和導(dǎo)通電流)。

近年一方面通過材料、結(jié)構(gòu)、工藝的革新繼續(xù)推進(jìn)，出現(xiàn)砷化鎵(GaAs)與氮化鎵(GaN)，以及一些改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，另一方面科學(xué)家也在探索機(jī)理的改變，比如隧穿晶體管啦，負(fù)電容效應(yīng)晶體管啦，碳納米管以及近年熱門的石墨烯晶體管，也就是把石墨烯作為溝道材料，但是因?yàn)榇嬖陉P(guān)鍵問題沒很大進(jìn)展，這個問題就是石墨烯不能完全飽和。

而晶體管設(shè)計(jì)里面，除了考慮開關(guān)性能之外，還需要考慮另一個性能，就是飽和電流問題。能不能飽和導(dǎo)通很關(guān)鍵，其實(shí)電流能飽和才是晶體管能夠有效工作的根本原因，因?yàn)椴伙柡偷脑挘w管就不能保持信號的傳遞，因此無法攜帶負(fù)載，相當(dāng)于你這個開關(guān)接觸不良，放到電路里面去，還不能正常工作的。

砷化鎵高電子遷移率已經(jīng)應(yīng)用于一些大功率器件，氮化鎵具有很高的電子遷移率和熱通量(通俗說就是導(dǎo)熱能力)，理論上是一種有前途的材料。

結(jié)構(gòu)和材料方面，以intel的SuperFin技術(shù)取得的進(jìn)展最大，已經(jīng)準(zhǔn)備實(shí)用化。號稱是Willow Cove，Tiger Lake應(yīng)用的全新晶體管技術(shù)。

Intel公布的信息中看，10nm SuperFin技術(shù)(圖一)就是Intel增強(qiáng)型FinFET晶體管(圖二)與Super MIM(Metal-Insulator-Metal)電容器的結(jié)合。據(jù)其官方資料顯示，Super MIM在同等的占位面積內(nèi)電容增加了5倍，聲稱顯著提高了產(chǎn)品性能。

這一行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)由一類新型的 Hi-K 電介質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)，該材料可以堆疊在厚度僅為幾埃的超薄層中，從而形成重復(fù)的“超晶格”結(jié)構(gòu)。還有新型薄勢壘(Novel Thin Barriers)技術(shù)采用，可以將過孔電阻降低了 30%，從而提升互聯(lián)性能表現(xiàn)。

實(shí)際上，從圖中可以看出，SuperFin并不完全是一種全新的工藝，而是fin MosFET的擴(kuò)展和改進(jìn)，其機(jī)理是通過多層(折疊)來大幅度擴(kuò)展柵極的面積，并進(jìn)一步縮小體積，是現(xiàn)有工藝的發(fā)展。再配合新型絕緣材料，達(dá)到較大幅度的改善。

這些進(jìn)展，讓 10nm 芯片的性能大幅提升了約 20% 之多。約 20% 是什么概念呢?

在之前的 14nm 時代，英特爾經(jīng)過四次技術(shù)更迭(14nm、14nm+、14nm++、14nm+++、14nm++++)才實(shí)現(xiàn)了約 20% 的性能提升。而這次通過 SuperFin，一次性就完成了約 20%，進(jìn)步速度遠(yuǎn)超外界想象。

有媒體稱，這意味著 SuperFin 已經(jīng)成為速度更快、甚至可能是全球最快的晶體管。

發(fā)布了 SuperFin 之后，英特爾還暢想了再進(jìn)一步的增強(qiáng)型 SuperFin 技術(shù)，有了這些技術(shù)intel10nm及以后的工藝會更具底氣。

半導(dǎo)體工藝的發(fā)展主要動力是國家利益、科技發(fā)展(比如太空探測)以及利潤，是集合幾十年全球的人力財(cái)力逐步攻克的。