非一般的晶體管

“一個(gè)蝴蝶可以刮起一陣風(fēng)，一個(gè)士兵可以開始一場戰(zhàn)爭”，那么一項(xiàng)偉大的發(fā)明呢？

1947年12月，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克萊、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研制出一種點(diǎn)接觸型的鍺晶體管。于是乎，大名鼎鼎的、影響人類文明進(jìn)程的晶體管就此誕生。1956年，這三人因發(fā)明晶體管同時(shí)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在晶體管誕生60多年后的今天，其體積幾乎縮小到了極限：貝爾實(shí)驗(yàn)室1947年制造的第一個(gè)晶體管是手工打造的，而現(xiàn)在一個(gè)針頭的空間就能塞進(jìn)去6000多萬個(gè)32nm晶體管(針頭直徑約1.5毫米)；如果百米飛人博爾特的步幅是32nm，那么完成一百米賽程需要跑31.25億步；32nm晶體管的柵極長度約為30nm，英文句點(diǎn)符號“.”的面積大約有0.1平方毫米，可以放進(jìn)去400多萬個(gè)32nm晶體管；Intel 32nm技術(shù)的柵極高度是0.9nm，而報(bào)紙的平均厚度為0.1毫米，也就是說111111個(gè)柵極堆疊起來才有一張報(bào)紙厚。

所有數(shù)字都揭示著晶體管已經(jīng)“小”到令人嘆為觀止。但是凡事都有個(gè)極限，無限接近物質(zhì)的極限意味著晶體管已經(jīng)步入老年了嗎？

晶體管的前世今生
晶體管被認(rèn)為是現(xiàn)代歷史中最偉大的發(fā)明之一，在重要性方面可以與印刷術(shù)、汽車和電話等發(fā)明相提并論。晶體管的本名是半導(dǎo)體三極管，是內(nèi)部含有兩個(gè)PN結(jié)，外部通常為三個(gè)引出電極的半導(dǎo)體器件。它對電信號有放大和開關(guān)等作用，應(yīng)用十分廣泛。晶體管出現(xiàn)后，人們就能用一個(gè)小巧的、消耗功率低的電子器件，來代替體積大、功率消耗大的電子管了。

晶體管的發(fā)明為后來集成電路的問世吹響了沖鋒號。除了能夠很方便的儲存信息、發(fā)送信號，晶體管還具有當(dāng)初人們不曾料想的特性：它可持續(xù)縮小體積，這使得晶體管與電子產(chǎn)品可以穩(wěn)定地降價(jià)，且功能變得越來越好。這一理論最終成就了摩爾定律。

2006年2月英特爾正式推出45nm晶體管(圖1)。與65nm芯片相比，其密度提高2倍，達(dá)10億個(gè)晶體管，開關(guān)速度提高20%，功耗降低30%。這種45nm工藝采用了Cu互連、低k介質(zhì)，應(yīng)變硅和193nmArF光刻。

32nm晶體管則采用第二代高k金屬珊技術(shù)，即柵的長度為30nm左右，等價(jià)的柵極氧化物厚度僅為0.9nm，同時(shí)整體性能將有超過22%的提升。32nm SRAM 測試芯片最早出現(xiàn)在2007年9月，芯片尺寸可以從45nm的0.346μm2減小到0.171μm²。回顧Intel的晶體管技術(shù)發(fā)展歷程，Intel 每兩年即可將晶體管的尺寸縮小30～50%（圖2）。

摩爾定律是一個(gè)殘酷無情的 “監(jiān)工”，就在最新技術(shù)剛剛投入生產(chǎn)，人們認(rèn)為可以暫時(shí)停下腳步好好休息一下時(shí)，往往會愕然發(fā)現(xiàn)，下一代技術(shù)在兩年后就要按時(shí)推出，再過兩年又一代新技術(shù)……

IBM院士Stuart S.P. Parkin博士介紹說，有摩爾定律的指引，新器件的出現(xiàn)是必然的，它的進(jìn)步速度在很大程度上取決于相關(guān)材料、設(shè)備的進(jìn)展，當(dāng)然也和市場緊密相連。在晶體管的技術(shù)路線圖上，22nm節(jié)點(diǎn)之后的等比例縮小很可能需要在SOI或體硅晶圓上采用全耗盡CMOS結(jié)構(gòu)。也很可能會采用TSV 3-D互連和SiC應(yīng)力層。

向新器件結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換已經(jīng)啟動（圖3），在15 nm技術(shù)路線圖上，IBM和英特爾已經(jīng)確認(rèn)了全耗盡CMOS結(jié)構(gòu)，而一些其它的垂直晶體管結(jié)構(gòu)也得到了極大重視。部分耗盡或傳統(tǒng)的體硅晶體管變得愈加困難，為了獲得所需的短溝性能，需要全耗盡器件架構(gòu)——像finFET這樣的垂直器件或平面SOI——才可以完成對溝道的控制。

盡管普遍的觀點(diǎn)是全耗盡結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)在15nm節(jié)點(diǎn)，但I(xiàn)BM已經(jīng)考慮22nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，在其旗艦MPU工藝技術(shù)中采用全耗盡工藝。英特爾在22nm還將繼續(xù)采用體硅技術(shù)。英特爾將于2011年底推出采用22nm工藝的MPU。去年九月英特爾發(fā)布了帶有SRAM陣列和周邊邏輯電路的22nm測試芯片，其中每個(gè)存儲器陣列為364Mb，芯片共有290億個(gè)晶體管。該芯片采用了第三代后柵極高k/金屬柵工藝，也就是在柵極工藝的最后沉積柵介電層和金屬。
 
應(yīng)變硅如何“應(yīng)變”？
半導(dǎo)體工業(yè)縮小芯片的主要?jiǎng)訖C(jī)是：增加每一片晶圓上的芯片數(shù)目，從而降低成本；縮短載流子擴(kuò)散路徑，從而提高芯片處理速度。但是，芯片小型化使工藝技術(shù)面臨著新的問題：散熱和量子隧道效應(yīng)的處理。一個(gè)新的思路就是尋找新的電子材料，基于硅材料的應(yīng)變硅技術(shù)由此誕生。

在2009年北京微電子論壇先進(jìn)半導(dǎo)體工藝研討會上，中芯國際的技術(shù)處長吳漢明博士為大家展示了晶體管未來的走向，應(yīng)變硅技術(shù)是殺手锏之一。應(yīng)變硅是滿足65nm以下工藝要求的一種高端硅基新材料。應(yīng)變硅由在SiGe等原子距離較大的襯底上外延生長Si而成。該材料的制作原理之一是在鍺硅上外延硅，由于硅原子在鍺原子之間力的作用下發(fā)生了應(yīng)變，擴(kuò)張了原子間距，因而這種材料被稱為“應(yīng)變硅”。當(dāng)硅晶格受到應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變，可將傳輸載子的有效質(zhì)量縮小，遷移率及飽和速度均增加。因此在同樣組件尺寸下，若使用應(yīng)變硅技術(shù)作為載子的傳輸通道，因其電子與空穴的載子遷移率增加，可達(dá)到增加組件速度與驅(qū)動電流的目標(biāo)。

形成應(yīng)變的方式很多，可藉由制程工藝、材料上自然晶格常數(shù)的差異或是組件封裝等等方式來達(dá)成。應(yīng)變硅則可通過如下三種方法獲得：(1)工藝誘導(dǎo)法，通過晶體管周圍薄膜和結(jié)構(gòu)之間的應(yīng)力形成；(2)在器件通道下方嵌入Si-Ge層；(3)對整片晶圓進(jìn)行處理。英特爾推出一種包含全硅化(FUSI)鎳電極的45nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)，并將由FUSI生成的金屬與單軸應(yīng)變硅溝道相結(jié)合，硅化電極提高了電荷密度，應(yīng)變硅增強(qiáng)了載流子遷移率，從而使其性能比傳統(tǒng)的氮氧化硅-多晶硅柵電極提高20%，改進(jìn)驅(qū)動電流20%。東芝推出一種合并兩種應(yīng)變硅形成的45nm節(jié)點(diǎn)工藝，它把雙應(yīng)力襯底和位于漏/源極區(qū)域的淀積Si-Ge相結(jié)合，避免將高k介電材料引入柵氧化物，仍繼續(xù)采用氮氧化物(SiON)。

總體來說，應(yīng)變硅技術(shù)對硅進(jìn)行了拉伸，從而加速了電子在芯片內(nèi)的流動，不用進(jìn)行小型化就可以提高性能和降低功耗。Stuart S.P. Parkin博士對應(yīng)變硅的前景表示樂觀，認(rèn)為如果與絕緣硅技術(shù)一起使用，應(yīng)變硅技術(shù)可以更大程度地提高性能并降低功耗。其未來挑戰(zhàn)在于如何了解并優(yōu)化各種不同來源應(yīng)力之間的相互作用。

新型晶體管FinFET：萬丈高樓平地起
“萬丈高樓平地起”，沒錯(cuò)，晶體管也要“拔地而起”了。通過簡單地縮小垂直尺寸和水平尺寸來開發(fā)新一代晶體管技術(shù)的時(shí)代早已過時(shí)。Intel資深fellow Yan Borodovsky博士說：“摩爾定律毫無疑問仍將繼續(xù)，但找到兼顧性能與成本的最佳方案乃首要任務(wù)，取代 “傳統(tǒng)”形式的技術(shù)升級，現(xiàn)在必須開發(fā)新材料和新結(jié)構(gòu)，提供更小的尺寸，滿足人們對高密度、高性能和低能耗的要求。”

為了提高45nm晶體管電流密度、減小短溝道效應(yīng)和改善柵極控制，業(yè)界提出了多種新型晶體管結(jié)構(gòu)，如三柵極結(jié)構(gòu)、FinFET（鰭式場效晶體管，F(xiàn)in Field Effect Transistor）、Omega-FET和多柵極FET等。

平面器件不可能被無限微縮下去。如果采用FinFET，就好像打開了一扇新的門，可以通過集成垂直器件而提升晶體管密度。FinFET確實(shí)有進(jìn)一步提高晶體管密度的潛力，IBM在2009年將其用于FinFET研究的晶圓數(shù)目增加了一倍。

FinFET是一種新的CMOS晶體管，被譽(yù)為22nm的革命性器件之一(圖5)。它的柵極長度已可小于25nm，未來預(yù)期可以進(jìn)一步縮小至9nm，約是人類頭發(fā)寬度的1萬分之1。FinFET源自于目前傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的晶體管—場效晶體管的一項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。Stuart S.P. Parkin博士說，在傳統(tǒng)晶體管結(jié)構(gòu)中，控制電流通過的柵極，只能在柵極的一側(cè)控制電路的接通與斷開，屬于平面的架構(gòu)。在FinFET的架構(gòu)中，柵極成類似魚鰭的叉狀3D架構(gòu)，可于電路的兩側(cè)控制電路的接通與斷開。這種設(shè)計(jì)大幅改善電路控制并減少漏電流，還能大幅縮短晶體管的閘長(圖6)。

習(xí)慣是一種可怕的東西，往往會阻礙創(chuàng)新，“平面結(jié)構(gòu)”由于保持了人們習(xí)慣的設(shè)計(jì)風(fēng)格因而備受歡迎。但采用了FinFET，則必須把器件加起來使用。設(shè)計(jì)時(shí)不存在隨意的寬度，因此只能將其量化并增加指型溝道的數(shù)目。FinFET工藝非常困難是業(yè)界人士的共識。

對于光刻來說，要能夠克服側(cè)壁圖形轉(zhuǎn)移的問題；對于刻蝕來說，柵極刻蝕則是另一個(gè)挑戰(zhàn)。在指型結(jié)構(gòu)附近柵極會卷曲，使得柵極輪廓的表征非常困難。對那些可接受的晶體管性能來說，柵極需要盡量直。在平面結(jié)構(gòu)中，柵極在一個(gè)平面上，但在FinFET中，柵極在整個(gè)晶圓的表面與溝道高低交錯(cuò)。這帶來一些根本性的問題，需要找到集成所有工藝完成整個(gè)器件的方法。由于垂直結(jié)構(gòu)帶來的光刻和刻蝕挑戰(zhàn)，大多數(shù)公司都對FinFET非常謹(jǐn)慎，從某種程度上來講，通過外延抬升源極/漏極的結(jié)構(gòu)本質(zhì)上已經(jīng)是一種垂直結(jié)構(gòu)了。

在2009年的IEDM上，采用FinFET技術(shù)實(shí)現(xiàn)0.06μm2或者0.039μm²單元面積的超微細(xì)SRAM亮相。但是，這些產(chǎn)品都利用了電子束直描技術(shù)，實(shí)用化方面還存在問題。美國IBM、美國GLOBALFOUNDRIES、東芝及NEC電子（現(xiàn)為瑞薩電子）組成的小組近期發(fā)布了以現(xiàn)有ArF光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的0.063μm²超微細(xì)SRAM研究成果。通過采用Sidewall Image Transfe技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了40nm的Fin間距，解決了基于FinFET的SRAM的另一課題——因使用多個(gè)Fin而導(dǎo)致面積增大的問題。同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了80nm這一全球最小的柵極間距。作為實(shí)現(xiàn)超微細(xì)SRAM的技術(shù)，這一成果給人FinFET更為出色的強(qiáng)烈印象。FinFET大展拳腳的時(shí)間點(diǎn)似乎更加明朗化。

SOI：CPU煮熟雞蛋將成為歷史
CPU熱到可以煮熟雞蛋的故事已成經(jīng)典，它說的正是芯片功耗過高的問題。曾有人預(yù)言，高功耗將導(dǎo)致摩爾定律提前終結(jié)。這并非危言聳聽。高功耗產(chǎn)生高溫度，提高了封裝成本，也產(chǎn)生了許多新的故障，加大了測試復(fù)雜度，提高了測試成本。高的芯片功耗產(chǎn)生很多負(fù)面影響，而為了保證摩爾定律，就要采用低功耗設(shè)計(jì)，這又反過來加大了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。凡此種種都對摩爾定律產(chǎn)生了終結(jié)效應(yīng)。

Stuart S.P. Parkin博士說，絕緣硅（SOI，Silicon-On-Insulator）的出現(xiàn)主要是解決芯片的功耗問題，這是22nm節(jié)點(diǎn)晶體管的希望，當(dāng)然也是挑戰(zhàn)。該技術(shù)利用一層SiO₂絕緣薄膜，將各個(gè)晶體管與最底下的硅晶圓分開，而在常規(guī)的CMOS中，晶體管是直接與硅晶圓接觸的（圖7）。SiO₂薄膜層能有效的使電子從一個(gè)晶體管的門電路流到另一個(gè)晶體管的門電路，不會讓多余的電子滲漏到晶圓上。由于不會有電子滲漏而浪費(fèi)電能，因此功耗更小。

通過在絕緣體上形成半導(dǎo)體薄膜，SOI材料具有了體硅所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)隔離，徹底消除了體硅CMOS電路中的寄生閂鎖效應(yīng)；采用這種材料制成的集成電路還具有寄生電容小、集成密度高、速度快、工藝簡單、短溝道效應(yīng)小及特別適用于低壓低功耗電路等優(yōu)勢。

據(jù)IBM公司的數(shù)據(jù)顯示，同類SOI芯片與CMOS芯片相比，SOI芯片的速度可以快20%～30%，而能耗為CMOS芯片能耗的一半或三成。采用SOI技術(shù)的45nm PMOS晶體管驅(qū)動電流增加30%。

在22nm節(jié)點(diǎn)，SOI晶圓上關(guān)鍵硅層的厚度是6.3nm，而15nm則更薄，約5nm。硅層是如此之薄，如果破壞了頂層的硅，那么根本沒有修復(fù)的余地。為了避免材料損傷，采用了原位摻雜而非注入工藝，這是因?yàn)樵粨诫s是一項(xiàng)無損傷的工藝。

目前比較廣泛使用且比較有發(fā)展前途的SOI的材料主要有注氧隔離的SIMOX（Seperation by Implanted Oxygen）材料、硅片鍵合和反面腐蝕的BESOI（Bonding-Etchback SOI）材料和將鍵合與注入相結(jié)合的Smart Cut SOI材料。在這三種材料中，SIMOX適合于制作薄膜全耗盡超大規(guī)模集成電路，BESOI材料適合于制作部分耗盡集成電路，而Smart Cut材料則是非常有發(fā)展前景的SOI材料，它很有可能成為今后SOI材料的主流。

其實(shí)，晶體管一路走來的歷史，就是技術(shù)的不斷新陳代謝和市場訴求相輔相成的過程。當(dāng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展進(jìn)入良性循環(huán)時(shí)，一切的發(fā)展進(jìn)步都將會是順理成章的，好在這樣的趨勢正在發(fā)生。