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芯片設計流片、驗證、成本那此事我們聊聊芯片設計、流片、驗證、制造、成本的那些事；流片對于芯片設計來說就是參加一次大考。流片的重要性就在于能夠檢驗芯片設計是否成功，是芯片制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也就是將設計好的方案交給芯片制造廠生產(chǎn)出樣品。檢測設計的芯片是否達到設計要求，或者是否需要進一步優(yōu)化；如果能夠生產(chǎn)出符合要求的芯片，那么就可以大規(guī)模生產(chǎn)了。上圖流程的輸入是芯片立項設計，輸出是做好的芯片晶圓。一、晶圓術(shù)語 1.芯片（chip、die）、器件（device）、電路（circuit）、微芯片（microchip）或條碼（bar）：所有這些名詞指的是在晶圓表面占大部分面積的微芯片圖形； 2.劃片線（scribeline、sawline）或街區(qū)（street、avenue）：這些區(qū)域是在晶圓上用來分隔不同芯片之間的間隔區(qū)。劃片線通常是空白的，但有些公司在間隔區(qū)內(nèi)放置對準標記，或測試的結(jié)構(gòu)； 3.工程實驗片（engineering die）和測試芯片（testdie）：這些芯片與正式芯片或電路芯片不同。它包括特殊的器件和電路模塊用于晶圓生產(chǎn)工藝的電性測試； 4.邊緣芯片（edgedie）：在晶圓邊上的一些掩膜殘缺不全的芯片而產(chǎn)生的面積損耗。由于單個芯片尺寸增大而造成的更多邊緣浪費會由采用更大直徑晶圓所彌補。推動半導體工業(yè)向更大直徑晶圓發(fā)展的動力之一就是為了減少邊緣芯片所占的面積； 5.晶圓的晶面（wafercrystal plane）：圖中的剖面標示了器件下面的晶格構(gòu)造，此圖中顯示的器件邊緣與晶格構(gòu)造的方向是確定的； 6.晶圓定位邊（waferflats）/凹槽（notche）：圖示的晶圓由注定位邊（majorflat）和副定位邊（minorflat），表示這是一個P型<100>晶向的晶圓。300mm和450mm直徑的晶圓都是用凹槽作為晶格導向的標識。這些定位邊和凹槽在一些晶圓生產(chǎn)工藝中還輔助晶圓的套準。二、芯片的流片方式（FullMask、MPW） FullMask和MPW都是集成電路的一種流片（將設計結(jié)果交出去進行生產(chǎn)制造）方式。FullMask是“全掩膜”的意思，即制造流程中的全部掩膜都為某個設計服務；而MPW全稱為MultiProject Wafer，直譯為多項目晶圓，即多個項目共享某個晶圓，也即同一次制造流程可以承擔多個IC設計的制造任務。 1.FullMask，“全掩膜”，即制造流程中的全部掩膜都為某個設計服務；Full Mask的芯片，一片晶圓可以產(chǎn)出上千片DIE；然后封裝成芯片，可以支撐大批量的客戶需求。 2.MPW全名叫MultiProject Wafer，和電路設計PCB的拼板打樣類似，叫多項目晶圓。多項目晶圓就是將多個使用相同工藝的集成電路設計放在同一晶圓片上流片，制造完成后，每個設計可以得到數(shù)十片芯片樣品，這一數(shù)量對于原型（Prototype）設計階段的實驗、測試已經(jīng)足夠。這種操作方式可以讓流片費下降90%-95%，也就大幅降低了芯片研發(fā)的成本。晶圓廠每年都會有固定的幾次MPW機會，叫Shuttle（班車），到點即發(fā)車，是不是非常形象不同公司拼Wafer，得有個規(guī)則，MPW按SEAT來鎖定面積，一個SEAT一般是3mm*4mm的一塊區(qū)域，一般晶圓廠為了保障不同芯片公司均能參與MPW，對每家公司預定的SEAT數(shù)目會限制（其實SEAT多成本就上去了，MPW意義也沒有了）。MPW優(yōu)勢投片成本小，一般就小幾十萬，可以很好降低風險；需要注意的是MPW從生產(chǎn)角度是一次完整的生產(chǎn)流程，因此其還是一樣耗時間，一次MPW一般需要6~9個月，會帶來芯片的交付時間后延。因為是拼Wafer，因此通過MPW拿到的芯片數(shù)目就會很有限，主要用于芯片公司內(nèi)部做驗證測試，也可能會提供給極少數(shù)的頭部客戶。從這里大家可能已經(jīng)了解了，MPW是一個不完整的，不可量產(chǎn)的投片。 3.晶圓生產(chǎn)角度介紹MPW 畢竟芯片加工還是一個相對復雜的過程，我相信很多朋友看完第一和小二之前理解的晶圓結(jié)構(gòu)，是下圖的，一個框歸屬于一個芯片公司。實則不然，這就需要和晶圓的生產(chǎn)流程的光刻技術(shù)相關(guān)了；現(xiàn)階段的光刻技術(shù)DUV/EUV等，大多采用縮影的方式進行曝光，如下圖所示：采用1：5放大的mask，對晶圓進行曝光，一次曝光的矩形區(qū)域通常稱為一個shot，完成曝光后，光刻機自動調(diào)整晶圓位置，對下個shot進行曝光，如此循環(huán)（Step-and-Repeat），直到整個晶圓完成曝光，而這一個Shot的區(qū)域，則是大家一起分擔SEAT的區(qū)域；如下示意圖中，一個Shot里面劃分4個小格，每個格子給到一家廠商的設計，MPW晶圓一般20個以內(nèi)用戶。三、芯片ECO流程 ECO指的是Engineering ChangeOrder，即工程變更指令。ECO可以發(fā)生在Tapeout之前，過程中，或者之后；Tapeout之后的ECO，改動少的可能僅需要改幾層Metallayer，改動大可能需要動十幾層Metallayer，甚至重新流片。ECO的實現(xiàn)流程如下圖所示：如果MPW或者FullMask的芯片，驗證有功能或者性能缺陷，通過ECO對電路和標準單元布局進行小范圍調(diào)整，保持原設計布局布線結(jié)果基本不變的前提下做小規(guī)模優(yōu)化，修復芯片的剩余違例，最終達到芯片的簽核標準。不能通過后端布局布線的流程來修復違例（重新走一遍流程太費時了），而要通過ECO的流程來進行時序、DRC、DRV以及功耗等優(yōu)化。四、流片Corner 1.Corner是芯片制造是一個物理過程，存在著工藝偏差（包括摻雜濃度、擴散深度、刻蝕程度等），導致不同批次之間，同一批次不同晶圓之間，同一晶圓不同芯片之間情況都是不相同的。在一片wafer上，不可能每點的載流子平均漂移速度都是一樣的，隨著電壓、溫度不同，它們的特性也會不同，把他們分類就有了PVT（Process，Voltage，Temperature），而Process又分為不同的corner：TT：TypicalNTypical PFF：FastNFastPSS：SlowNSlowPFS：FastNSlowPSF：SlowNFastP第一個字母代表NMOS，第二個字母代表PMOS，都是針對不同濃度的N型和P型摻雜來說的。NMOS和PMOS在工藝上是獨立做出來的，彼此之間不會影響，但是對于電路，NMOS和PMOS是同時工作的，會出現(xiàn)NMOS快的同時PMOS也快，或者慢，所以會出現(xiàn)FF、SS、FS、SF四種情況。通過Process注入的調(diào)整，模擬器件速度快慢，同時根據(jù)偏差大小設定不同等級的FF和SS。正常情況下大部分是TT，而以上5種corner在+/-3sigma可以覆蓋約99.73%的范圍，這種隨機性的發(fā)生符合正態(tài)分布。 2.Cornerwafer的意義在工程片流片的時候，F(xiàn)AB會pirun關(guān)鍵層次調(diào)整inline variation，有的還會下backupwafer以保證出貨的wafer器件on target，即在TTcorner附近。如果單純是為了做一些樣品出來，只進行工程片流片，那可以不驗證corner，但如果為了后續(xù)量產(chǎn)準備，是必須要考慮corner的。由于工藝在制作過程中會有偏差，而corner是對產(chǎn)線正常波動的預估，F(xiàn)AB也會對量產(chǎn)芯片的corner驗證有所要求。所以在設計階段就要滿足corner，在各種corner和極限溫度條件下對電路進行仿真，使其在各種corner上都能正常工作，才能使最終生產(chǎn)出的芯片良率高。 3.CornerSplitTable策略對于產(chǎn)品來講，一般corner做到spec上，正常情況下spec有6個sigma，如FF2（或2FF）表示往快的方向偏2個Sigma，SS3（或3SS）表示往慢的方向偏3個Sigma。Sigma主要表征了Vt的波動，波動大sigma就大，這里3個sigma就是在工藝器件的spec線上，可以允許超出一點點，因為線上波動不可能正正好好做到spec上。如下是55nmLogic工藝片的例，擬定的cornersplittable： ①#1&#2兩片pilotwafer，一片盲封，一片測CP； ②#3&#4兩片hold在Contact，為后道改版預留工程wafer，可以節(jié)省ECO流片時間； ③#5～#12八片hold在Poly，等pilot的結(jié)果看是否需要調(diào)整器件速度，并驗證corner； ④除了留有足夠的芯片用于測試驗證，Metal Fix，還應根據(jù)項目需求，預留盡可能多的wafer作為量產(chǎn)出貨。 4.確認Corner結(jié)果首先，大部分都應該落于四個corner決定的window范圍內(nèi)，如果出現(xiàn)大的偏差，那可能是工藝shift。如果各個corner的良率都沒影響符合預期，那說明工藝窗口充分。如果有個別條件良率低，那就需要調(diào)整工藝窗口。Cornerwafer的目的是驗證設計余量，考察良率是否有損失。大體上，超出這個corner約束性能范圍內(nèi)的芯片報廢。 Corner驗證對標的是WAT測試結(jié)果，一般由FAB主導，但是cornerwafer的費用是由設計公司承擔的。一般成熟穩(wěn)定的工藝，同一片wafer上的芯片，同一批次的wafer甚至不同批次的wafer參數(shù)都是很接近的，偏差的范圍相對不會很大。工藝角（ProcessCorner）PVT(PrecessVoltageTemperature)工藝誤差與雙極晶體管不同，在不同的晶片之間以及在不同的批次之間，MOSFETs參數(shù)變化很大。為了在一定程度上減輕電路設計任務的困難，工藝工程師們要保證器件的性能在某個范圍內(nèi)，大體上，他們以報廢超出這個性能范圍的芯片的措施來嚴格控制預期的參數(shù)變化。 ①MOS管的快慢分別指閾值電壓的高低，快速對應閾值低，慢速對應閾值高。GBW=GM/CC，其它條件相同情況下，vth越低，gm值越高，因此GBW越大，速度越快。（具體情況具體分析） ②電阻的快慢。fast對應的是方塊電阻小，slow對應的是方塊電阻大。 ③電容的快慢。fast對應的是電容最小，slow對應的是容值最大。五、流片成本和晶圓價格 40nm的流片Mask成本大概在80-90萬美元，晶圓成本每片在3000-4000美元左右，加上IPmerge，七八百萬人民幣跑不掉了。 28nm工藝流片一次需要200萬美元；14nm工藝流片一次需要500萬美元；7nm工藝流片一次需要1500萬美元；5nm工藝流片一次4725萬美元；3nm工藝流片可能要上億美元；掩膜版、晶圓這兩項主要流片成本中，掩膜版最貴。越先進的工藝節(jié)點，所需要的掩膜版層數(shù)就越多；因為每一層“掩膜板”對應涂抹一次光刻膠、曝光、顯影、刻蝕等操作，涉及材料成本、儀器折舊成本，這些成本都需要fabless客戶買單！ 28nm大概需要40層，14nm工藝需要60張掩膜版；7nm工藝需要80張甚至上百張掩膜版；一層Mask8萬美金，因此芯片必須量產(chǎn)，拉低成本！ 40nmMCU工藝為例：如果生產(chǎn)10片晶圓，每片晶圓成本（90萬+4000*10）/10=9.4萬美元；生產(chǎn)10000片晶圓，每片晶圓成本（90萬+4000*10000）/10000=4090美元。(晶圓量越大越便宜，不同產(chǎn)家報價也不一樣。) 晶圓代工價格來源于網(wǎng)絡臺積電今年給的最新報價：最先進的制程3nm，每片晶圓19865美元，折合人民幣大概14.2w左右。結(jié)語芯片從設計到成品有幾個重要環(huán)節(jié)，分別是設計->流片->封裝->測試，但芯片成本構(gòu)成的比例確大不相同，一般為人力成本20%，流片40%，封裝35%，測試5%。芯片流片是高風險的事情，這個風險有多高，這個概率在15%-35%左右；不同的團隊和芯片種類概率也不一樣。有模擬芯片公司即使在團隊完備、思路清晰的情況下，還是耗了8年時間，歷經(jīng)18次流片，才最終完成了傳感器模擬計算IP驗證，打造出了理想中的那顆超低功耗、超近傳感芯片。半導體芯片工藝節(jié)點演變路徑分析摘要：晶體管的縮小過程中涉及到三個問題。第一是為什么要把晶體管的尺寸縮小，以及是按照怎樣的比例縮小的，這個問題是縮小有什么好處。第二是為什么技術(shù)節(jié)點的數(shù)字不能等同于晶體管的實際尺寸。或者說，在晶體管的實際尺寸并沒有按比例縮小的情況下，為什么要宣稱是新一代的技術(shù)節(jié)點。這個問題就是縮小有什么技術(shù)困難。第三是晶體管具體如何縮小。也就是，技術(shù)節(jié)點的發(fā)展歷程是怎樣的。在每一代都有怎樣的技術(shù)進步。這也是真正的問題。在這里特指晶體管的設計和材料。 1引言在摩爾定律的指導下，集成電路的制造工藝一直在往前演進。得意于這幾年智能手機的流行，大家對節(jié)點了解甚多。例如40nm、28 nm、20nm、16nm等等，要知道的這些節(jié)點的真正含義，首先要解析一下技術(shù)節(jié)點的意思。常聽說的，諸如，臺積電16nm工藝的NvidiaGPU、英特爾14 nm工藝的i5CPU等等，這個長度的含義，具體的定義需要詳細的給出晶體管的結(jié)構(gòu)圖才行。在早期，可以姑且認為是相當于晶體管的尺寸。為什么這個尺寸重要呢。因為晶體管的作用，是把電子從一端（S），通過一段溝道，送到另一端（D），這個過程完成了之后，信息的傳遞就完成了。因為電子的速度是有限的，在現(xiàn)代晶體管中，一般都是以飽和速度運行的，所以需要的時間基本就由這個溝道的長度來決定。越短，就越快。這個溝道的長度，和前面說的晶體管的尺寸，大體上可以認為是一致的。但是二者有區(qū)別，溝道長度是一個晶體管物理的概念，而用于技術(shù)節(jié)點的那個尺寸，是制造工藝的概念，二者相關(guān)，但是不相等。在微米時代，一般這個技術(shù)節(jié)點的數(shù)字越小，晶體管的尺寸也越小，溝道長度也就越小。但是在22nm節(jié)點之后，晶體管的實際尺寸，或者說溝道的實際長度，是長于這個數(shù)字的。比方說，英特爾的14nm的晶體管，溝道長度其實是20nm左右。根據(jù)現(xiàn)在的了解，晶體管的縮小過程中涉及到三個問題，分別是：第一，為什么要把晶體管的尺寸縮小，以及是按照怎樣的比例縮小的。這個問題就是在問，縮小有什么好處。第二，為什么技術(shù)節(jié)點的數(shù)字不能等同于晶體管的實際尺寸。或者說，在晶體管的實際尺寸并沒有按比例縮小的情況下，為什么要宣稱是新一代的技術(shù)節(jié)點。這個問題就是在問，縮小有什么技術(shù)困難。第三，晶體管具體如何縮小。也就是，技術(shù)節(jié)點的發(fā)展歷程是怎樣的。在每一代都有怎樣的技術(shù)進步。這也是題主所提的真正的問題。在這里特指晶體管的設計和材料。 2工藝節(jié)點演變路徑分析 2.1縮小晶體管的尺寸第一個問題，因為晶體管尺寸越小，速度就越快。這個快是可以直接解釋為基于晶體管的集成電路芯片的性能上去的。以微處理器CPU為例，見圖1，來源是40 YearsofMicroprocessorTrendData。圖1的信息量很大，這里相關(guān)的是綠色的點，代表CPU的時鐘頻率，越高當然越快。可以看出直到2004年左右，CPU的時鐘頻率基本是指數(shù)上升的，背后的主要原因就是晶體管的尺寸縮小。另外一個重要的原因是，尺寸縮小之后，集成度（單位面積的晶體管數(shù)量）提升，這有多個好處。一來可以增加芯片的功能，二來更重要的是，根據(jù)摩爾定律，集成度提升的直接結(jié)果是成本的下降。這也是為什么半導體行業(yè)50年來如一日地追求摩爾定律的原因，因為如果達不到這個標準，你家的產(chǎn)品成本就會高于能達到這個標準的對手，你家就倒閉了。圖1微處理器芯片的發(fā)展趨勢還有一個原因是晶體管縮小可以降低單個晶體管的功耗，因為縮小的規(guī)則要求，同時會降低整體芯片的供電電壓，進而降低功耗。但是有一個重要的例外，就是從物理原理上說，單位面積的功耗并不降低。因此這成為了晶體管縮小的一個很嚴重的問題，因為理論上的計算是理想情況，實際上，不僅不降低，反而是隨著集成度的提高而提高的。在2000年的時候，人們已經(jīng)預測，根據(jù)摩爾定律的發(fā)展，如果沒有什么技術(shù)進步的話，晶體管縮小到2010年時，其功耗密度可以達到火箭發(fā)動機的水平，這樣的芯片當然是不可能正常工作的。即使達不到這個水平，溫度太高也會影響晶體管的性能。事實上，業(yè)界現(xiàn)在也沒有找到真正徹底解決晶體管功耗問題的方案，實際的做法是一方面降低電壓（功耗與電壓的平方成正比），一方面不再追求時鐘頻率。因此在圖1中，2005年以后，CPU頻率不再增長，性能的提升主要依靠多核架構(gòu)。這個被稱作“功耗墻”，至今仍然存在，所以你買不到5GHz的處理器，4G的都幾乎沒有。以上是三個縮小晶體管的主要誘因。可以看出，都是重量級的提升性能、功能、降低成本的方法，所以業(yè)界才會一直堅持到現(xiàn)在。那么是怎樣縮小的呢。物理原理是恒定電場，因為晶體管的物理學通俗地說，是電場決定的，所以只要電場不變，晶體管的模型就不需要改變，這種方式被證明效果最佳，被稱為DennardScaling，提出者是IBM。電場等于電壓除以尺寸。既然要縮小尺寸，就要等比降低電壓。如何縮小尺寸。簡單將面積縮小到原來的一半。面積等于尺寸的平方，因此尺寸就縮小大約0.7。如果看一下晶體管技術(shù)節(jié)點的數(shù)字[3]：130nm、90 nm、65nm、45nm、32 nm、22nm、14nm、10 nm、7nm（5nm），會發(fā)現(xiàn)是一個大約為0.7為比的等比數(shù)列，就是這個原因。當然，前面說過，在現(xiàn)在，這只是一個命名的習慣，跟實際尺寸已經(jīng)有差距了。 2.2節(jié)點的數(shù)字不能等同于晶體管的實際尺寸第二個問題，為什么現(xiàn)在的技術(shù)節(jié)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。有三個主要的原因。首先，原子尺度的計量單位是安，為0.1nm。10nm的溝道長度，也就只有不到100個硅原子而已。晶體管本來的物理模型這樣的：用量子力學的能帶論計算電子的分布，但是用經(jīng)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，就越不行了，就需要考慮各種復雜的物理效應，晶體管的電流模型也不再適用。其次，即使用經(jīng)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(guān)。前面已經(jīng)說過，其工作原理是把電子從一端（源端）弄到另一端（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(guān)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(guān)得緊。短溝道器件，打得開沒問題，但是關(guān)不緊，原因就是尺寸太小，內(nèi)部有很多電場上的互相干擾，以前都是可以忽略不計的，現(xiàn)在則會導致柵端的電場不能夠發(fā)揮全部的作用，因此關(guān)不緊。關(guān)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。這部分電流可不能小看，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(jīng)占到了總能耗的接近半數(shù)，所以也是目前晶體管設計和電路設計的一個最主要的目標。最后，集成電路的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東西，叫做光刻機[5]。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(jù)說需要30多還是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的印制。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，都有一個本質(zhì)的問題，就是衍射。光刻機不例外。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(chǎn)工藝采用荷蘭艾斯摩爾生產(chǎn)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(chǎn)生的，被用于最精細的尺寸的光刻步驟。相比之下，目前的最小量產(chǎn)的晶體管尺寸是20nm（14 nmnode），已經(jīng)有了10倍以上的差距。為何沒有衍射效應呢。答案是業(yè)界十多年來在光刻技術(shù)上投入了巨資，先后開發(fā)了各種魔改級別的技術(shù)，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(chǎn)生的衍射互相抵消，提高精確度）等等，就這樣一直撐到了現(xiàn)在，支持了60nm以來的所有技術(shù)節(jié)點的進步。又為何不用更小波長的光源呢。答案是，工藝上暫時做不到。高端光刻機的光源，是世界級的工業(yè)難題。以上就是目前主流的深紫外曝光技術(shù)（DUV）。業(yè)界普遍認為，7 nm技術(shù)節(jié)點是它的極限了，甚至7nm都不一定能夠做到量產(chǎn)。下一代技術(shù)仍然在開發(fā)之中，被稱為極紫外（EUV），其光源降到了13 nm。但是，因為在這個波長，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(shù)難題。這還不算什么，此問題已經(jīng)能被克服了。最難的還是光源，雖然可以產(chǎn)生所需的光線，但是強度遠低于工業(yè)生產(chǎn)的需求，造成EUV光刻機的晶圓產(chǎn)量達不到要求，換言之拿來用就會賠本。一臺這種機器，就是上億美元。所以EUV還屬于未來。由于以上三個原因，其實很早開始就導致晶體管的尺寸縮小進入了深水區(qū)，越來越難。到了22nm之后，芯片已經(jīng)無法按比例縮小了。因此，就沒有再追求一定要縮小，反而是采用了更加優(yōu)化的晶體管設計，配合上CPU架構(gòu)上的多核多線程等一系列技術(shù)，繼續(xù)為消費者提供相當于更新?lián)Q代了的產(chǎn)品性能。因為這個原因，技術(shù)節(jié)點的數(shù)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(gòu)成這個技術(shù)節(jié)點的指標的技術(shù)和工藝的總和。 2.3晶體管縮小過程中面對的問題第三個問題，技術(shù)節(jié)點的縮小過程中，晶體管的設計是怎樣發(fā)展的。首先搞清楚，晶體管設計的思路是什么。主要的無非兩點：第一提升開關(guān)響應度，第二降低漏電流。圖2晶體管漏電流-柵電壓的關(guān)系圖為了講清楚這個問題，最好的方法是看圖2。晶體管物理特性圖，基本上搞清楚一張就足夠了，就是漏電流-柵電壓的關(guān)系圖，比如下面這種：橫軸代表柵電壓，縱軸代表漏電流，并且縱軸一般是對數(shù)坐標。前面說過，柵電壓控制晶體管的開關(guān)。可以看出，最好的晶體管，是那種能夠在很小的柵電壓變化內(nèi)，一下子就從完全關(guān)閉（漏電流為0），變成完全打開（漏電流達到飽和值），也就是虛線。這個性質(zhì)有多方面的好處，接下來再說。顯然這種晶體管不存在于這個星球上。原因是，在經(jīng)典的晶體管物理理論下，衡量這個開關(guān)響應能力的標準，叫做SubthresholdSwing（SS），有一個極限值，約為60mV/dec。英特爾的數(shù)據(jù)上，最新的14nm晶體管，這個數(shù)值大概是70mV/dec左右。并且，降低這個值，和降低漏電流、提升工作電流（提高速度）、降低功耗等要求，是等同的，因為這個值越低，在同樣的電壓下，漏電流就越低。而為了達到同樣的工作電流，需要的電壓就越低，這樣等同于降低了功耗。所以說這個值是晶體管設計里面最重要的指標，不過分。圍繞這個指標，以及背后的晶體管性能設計的幾個目標，大家都做了哪些事情呢。先看工業(yè)界，畢竟實踐是檢驗真理的唯一標準。下面的記憶，和節(jié)點的對應不一定完全準確，但具體的描述應該沒錯：65nm引入Ge strained的溝道。strain原理是通過在適當?shù)牡胤綋诫s一點點的鍺到硅里面去，鍺和硅的晶格常數(shù)不同，因此會導致硅的晶格形狀改變，而根據(jù)能帶論，這個改變可以在溝道的方向上提高電子的遷移率，而遷移率高，就會提高晶體管的工作電流。而在實際中，人們發(fā)現(xiàn)，這種方法對于空穴型溝道的晶體管（pmos），比對電子型溝道的晶體管（nmos），更加有效。圖3基本的晶體管結(jié)構(gòu) 2.4里程碑的突破，45nm引入高K值的絕緣層（1）45nm引入了高k值絕緣層/金屬柵極的配置。這個也是一個里程碑的成果，曾經(jīng)有一位教授，當年是在英特爾開發(fā)了這項技術(shù)的團隊的主要成員之一，因此對這一點提的特別多，耳濡目染就記住了。這是兩項技術(shù)，但其實都是為了解決同一個問題：在很小的尺寸下，如何保證柵極有效的工作。前面沒有細說晶體管的結(jié)構(gòu)，見圖3。圖3是一個最基本的晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖，現(xiàn)在的晶體管早就不長這樣了，但是任何半導體物理都是從這兒開始講起的，所以這是“標配版”的晶體管，又被稱為體硅（bulk）晶體管。gate就是柵。其中有一個oxide，絕緣層，前面沒有提到，但是卻是晶體管所有的構(gòu)件中，最關(guān)鍵的一個。它的作用是隔絕柵極和溝道。因為柵極開關(guān)溝道，是通過電場進行的，電場的產(chǎn)生又是通過在柵極上加一定的電壓來實現(xiàn)的，但是歐姆定律告訴我們，有電壓就有電流。如果有電流從柵極流進了溝道，那么還談什么開關(guān)，早就漏了。所以，需要絕緣層。為什么oxide（o rdielectric）而不是insulator。因為最早的絕緣層就是和硅非常自然地共處的二氧化硅，其相對介電常數(shù)（衡量絕緣性的，越高，對晶體管性能來說越好）約是3.9。一個好的絕緣層是晶體管的生命線。但是要說明，硅天然就具有這么一個性能超級好的絕緣層，對于半導體工業(yè)來說，是一件有歷史意義的幸運的事情。有人曾經(jīng)感慨，上帝都在幫助人類發(fā)明集成電路，首先給了那么多的沙子（硅晶圓的原料），又給了一個完美的自然絕緣層。所以至今，硅極其難被取代。一個重要原因就是，作為制造晶體管的材料，其綜合性能太完美了。二氧化硅雖好，在尺寸縮小到一定限度時，也出現(xiàn)了問題。縮小尺寸的過程中，電場強度是保持不變的，在這樣的情況下，從能帶的角度看，因為電子的波動性，如果絕緣層很窄很窄的話，那么有一定的幾率電子會發(fā)生隧穿效應而越過絕緣層的能帶勢壘，產(chǎn)生漏電流。可以想象為穿過一堵比自己高的墻。這個電流的大小和絕緣層的厚度，以及絕緣層的“勢壘高度”成負相關(guān)。因此厚度越小，勢壘越低，這個漏電流越大，對晶體管越不利。但是在另一方面，晶體管的開關(guān)性能、工作電流等等，都需要擁有一個很大的絕緣層電容。實際上，如果這個電容無限大的話，會達到理想化的60mV/dec的SS極限指標。這里說的電容都是指單位面積的電容。這個電容等于介電常數(shù)除以絕緣層的厚度。顯然，厚度越小，介電常數(shù)越大，對晶體管越有利。可以看出，已經(jīng)出現(xiàn)了一對設計目標上的矛盾，那就是絕緣層的厚度要不要繼續(xù)縮小。實際上在這個節(jié)點之前，二氧化硅已經(jīng)縮小到了不到2nm的厚度，也就是十幾個原子層的厚度，漏電流的問題已經(jīng)取代了性能的問題，成為頭號大敵。于是聰明絕頂?shù)娜祟悾_始想辦法。人類很貪心的，既不愿意放棄大電容的性能增強，又不愿意冒漏電的風險。于是人類說，如果有一種材料，介電常數(shù)很高，同時能帶勢壘也很高，那么是不是就可以在厚度不縮小的情況下（保護漏電流），繼續(xù)提升電容（提高開關(guān)性能）。于是大家就開始找，找了許多種奇奇怪怪的材料，終于最后經(jīng)過驗證，確定使用一種名為HfO2的材料。這個元素我以前聽都沒有聽過。這個就叫做high-k，這里的k是相對介電常數(shù)（相對于二氧化硅的而言）。當然，這個工藝的復雜程度，遠遠超過這里描述的這么簡單。具備high-k性質(zhì)的材料很多，但是最終被采用的材料，一定要具備許多優(yōu)秀的電學性質(zhì)。因為二氧化硅真的是一項非常完美的晶體管絕緣層材料，而且制造工藝流程和集成電路的其它制造步驟可以方便地整合，所以找到這樣一項各方面都符合半導體工藝制造的要求的高性能絕緣層材料，是一件了不起的工程成就。圖4三柵極晶體管結(jié)構(gòu) 至于金屬柵，是與high-k配套的一項技術(shù)。在晶體管的最早期，柵極是用鋁制作，后來經(jīng)過發(fā)展，改用重摻雜多晶硅制作，因為工藝簡單，性能好。到了high-k這里，大家發(fā)現(xiàn)，high-k材料有兩個副作用，一是會莫名其妙地降低工作電流，二是會改變晶體管的閾值電壓。閾值電壓就是把晶體管的溝道打開所需要的最小電壓值，這個值是非常重要的晶體管參數(shù)。這個原理不細說了，主要原因是，high-k材料會降低溝內(nèi)的道載流子遷移率，并且影響在界面上的費米能級的位置。載流子遷移率越低，工作電流就越低，而所謂的費米能級，是從能帶論的圖像上來解釋半導體電子分布的一種分析方法，簡單地說，它的位置會影響晶體管的閾值電壓。這兩個問題的產(chǎn)生，都和high-k材料內(nèi)部的偶極子分布有關(guān)。偶極子是一端正電荷一端負電荷的一對電荷系統(tǒng)，可以隨著外加電場的方向而改變自己的分布，high-k材料的介電常數(shù)之所以高的原因，就跟內(nèi)部的偶極子有很大關(guān)系。所以這是一把雙刃劍。于是人類又想，就想到了用金屬做柵極，因為金屬有一個效應叫做鏡像電荷，可以中和掉high-k材料的絕緣層里的偶極子對溝道和費米能級的影響。這樣一來就兩全其美。至于這種或這幾種金屬究竟是什么，除了掌握技術(shù)的那幾家企業(yè)之外，外界沒有人知道，是商業(yè)機密。于是摩爾定律再次勝利。（2）3 2nm第二代的high-k絕緣層/金屬柵工藝。因為45nm英特爾取得了巨大的成功（在很多晶體管、微處理器的發(fā)展圖上，45nm這一代的晶體管，會在功耗、性能等方面突然出現(xiàn)一個較大的進步標志），32nm時候繼續(xù)在基礎上改換更好的材料，繼續(xù)了縮小尺寸的老路。當然，前代的Gestrain工藝也是繼續(xù)使用的。（3）22nmFinFET（英特爾成為Tri-gate）三柵極晶體管。這一代的晶體管，在架構(gòu)上進行了一次變革。變革的最早設計可以追溯到伯克利的胡正明教授2000年左右提出的三柵極和環(huán)柵晶體管物理模型，后來被英特爾變?yōu)榱爽F(xiàn)實。圖4是FinFET一般模型。它的實質(zhì)上是增加了一個柵極。直觀地說，如果看回前面的那張“標配版”的晶體管結(jié)構(gòu)圖的話，在尺寸很短的晶體管里面，因為短溝道效應，漏電流是比較嚴重的。而大部分的漏電流，是通過溝道下方的那片區(qū)域流通的。溝道在圖上并沒有標出來，是位于氧化絕緣層以下、硅晶圓表面的非常非常薄（1～2 nm）的一個窄窄的薄層。溝道下方的區(qū)域被稱為耗盡層，就是大部分的淺色區(qū)域。圖5SOI（絕緣層上硅）晶體管結(jié)構(gòu) 圖6FinFET晶體管結(jié)構(gòu) 2.5聰明的IBM，天才的英特爾。于是有人就開始想啊，既然電子是在溝道中運動，那么我為何非要在溝道下面留有這么一大片耗盡層呢。當然這是有原因的，因為物理模型需要這片區(qū)域來平衡電荷。但是在短溝道器件里面，沒有必要非要把耗盡層和溝道放在一起，等著漏電流白白地流過去。于是有人（IBM）開了一個腦洞：把這部分硅直接拿掉，換成絕緣層，絕緣層下面才是剩下的硅，這樣溝道就和耗盡層分開了，因為電子來源于兩極，但是兩極和耗盡層之間，被絕緣層隔開了，這樣除了溝道之外，就不會漏電了。比如圖5這樣。這個叫做SOI（絕緣層上硅）[10]，雖然沒有成為主流，但是因為有其優(yōu)勢，所以現(xiàn)在還有制造廠在搞。有人（英特爾）又想了，既然都是拿掉耗盡層的硅，插入一層氧化層，那么為什么非要放上一堆沒用的硅在下面，直接在氧化層底下，再弄一個柵極，兩邊夾著溝道，豈不是更好。看看IBM，是否有雄心。但是英特爾還覺得不夠，又想，既然如此，有什么必要非得把氧化層埋在硅里面。把硅弄出來，周圍像三明治一樣地被包裹上絕緣層，外面再放上柵極，豈不是更加優(yōu)化。于是就有了FinFET，圖6這種。FinFET勝出在于，不僅大大降低了漏電流，而且因為有多一個柵極，這兩個柵極一般都是連在一起的，因此等于大大地增加了前面說過的那個絕緣層電容，也就是大大地提升了晶體管的開關(guān)性能。所以又是一次革命式的進步。圖714nmFinFET結(jié)構(gòu) 這個設計其實不難想到，難的是，能夠做到。為什么呢。因為豎起來的那一部分硅，也就是用作溝道的硅，太薄了，只有不到10nm，不僅遠小于晶體管的最小尺寸，也遠小于最精密的光刻機所能刻制的最小尺寸。于是如何把這個Fin給弄出來，還得弄好，成了真正的難題。英特爾的做法是很聰明的，解釋起來需要很多張工藝流程圖。但是基本原理是，這部分硅不是光刻出來的，而是長出來的。它先用普通精度的光刻刻出一堆架子，然后再沉淀一層硅，在架子的邊緣就會長出一層很薄的硅，然后再用選擇性的刻蝕把多余的材料弄走，剩下的就是這些立著的、超薄的硅Fin了。當時說出這套方法的時候，徹底絕了。14nm繼續(xù)FinFET。接著是英特爾的14 nm晶體管的SEM橫截面圖，大家感受一下，F(xiàn)in的寬度只有平均9 nm。當然了，在所有的后代的技術(shù)節(jié)點中，前代的技術(shù)也是繼續(xù)整合采用的。所以現(xiàn)在，在業(yè)界和研究中，一般聽到的晶體管，都被稱作high-k/metalgate Ge-strained14nmFinFET（圖7），整合了多年的技術(shù)精華。 2.6為摩爾定律的延續(xù)而奮斗而在學術(shù)界，近些年陸續(xù)搞出了各種異想天開的新設計，比如隧穿晶體管、負電容效應晶體管、碳納米管等等。所有這些設計，基本是四個方向，材料、機理、工藝、結(jié)構(gòu)。而所有的設計方案，其實可以用一條簡單的思路概括，就是前面提到的那個SS值的決定公式，里面有兩項相乘組成：（Forthisexpression.Thefirst termcouldbeseenaselectrostatics,thesecondtermcouldbeseen astransport.Thisisnotaveryphysicallystrictway todescribe,butitprovidesaconvenientpictureofvariouswaystoimprove transistorproperties.）因此，改進要么是改善晶體管的靜電物理（electrostatics），這是其中一項，要么改善溝道的輸運性質(zhì)（transport），這是另一項。而晶體管設計里面，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。很多人對這個問題有誤解，以為飽不飽和不重要，其實電流能飽和才是晶體管能夠有效工作的根本原因，因為不飽和的話，晶體管就不能保持信號的傳遞，因此無法攜帶負載，換言之只中看，不中用，放到電路里面去，根本不能正常工作的。舉個例子，有段時間石墨烯晶體管很火，石墨烯作溝道的思路是第二項，就是輸運，因為石墨烯的電子遷移率遠遠地完爆硅。但直到目前，石墨烯晶體管還沒有太多的進展，因為石墨烯有個硬傷，就是不能飽和電流。但是，去年貌似聽說有人能做到調(diào)控石墨烯的能帶間隙打開到關(guān)閉，石墨烯不再僅僅是零帶隙，想來這或許會在晶體管材料方面產(chǎn)生積極的影響。在2016年的IEDM會議上，臺積電已經(jīng)領先英特爾，發(fā)布了7nm技術(shù)節(jié)點的晶體管樣品，而英特爾已經(jīng)推遲了10nm的發(fā)布。當然，兩者的技術(shù)節(jié)點的標準不一樣，臺積電的7nm其實相當于英特爾的10nm，但是臺積電率先拿出了成品。三星貌似也在會上發(fā)表了自己的7nm產(chǎn)品。可以看出，摩爾定律確實放緩了。22nm是在2010年左右出來的，到了2017年現(xiàn)在，技術(shù)節(jié)點并沒有進步到10nm以下。而且2016年，ITRS已經(jīng)宣布不再制定新的技術(shù)路線圖，換言之，權(quán)威的國際半導體機構(gòu)已經(jīng)不認為，摩爾定律的縮小可以繼續(xù)下去了。這就是技術(shù)節(jié)點的主要現(xiàn)狀。 3結(jié)語技術(shù)節(jié)點不能進步，是不是一定就是壞事。其實不一定。28nm這個節(jié)點，其實不屬于前面提到的標準的dennardscaling的一部分，但是這個技術(shù)節(jié)點，直到現(xiàn)在，仍然在半導體制造業(yè)界占據(jù)了很大的一塊市場份額。臺積電、中芯國際等這樣的大代工廠，都是在28nm上玩得很轉(zhuǎn)的。為何，因為這個節(jié)點被證明是一個在成本、性能、需求等多方面達到了比較優(yōu)化的組合的一個節(jié)點，很多芯片產(chǎn)品，并不需要使用過于昂貴的FinFET技術(shù)，28 nm能夠滿足自己的需求。但是有一些產(chǎn)品，比如主流的CPU、GPU、FPGA、memory等，其性能的提升有相當一部分是來自于芯片制造工藝的進步。所以再往后如何繼續(xù)提升這些產(chǎn)品的性能，是很多人心中的問號，也是新的機會。