如何利用工程加工基板實(shí)現(xiàn)晶體管微縮化

晶體管的持續(xù)微縮化對(duì)我們的日常生活有著超乎尋常的影響力?；叵?997年，IBM所制造的巨型超級(jí)計(jì)算機(jī)“深藍(lán)”重量達(dá)到1.4噸，運(yùn)算能力為11.38 GFLOPS ?！吧钏{(lán)”在六局國(guó)際象棋大賽中擊敗了著名的俄羅斯國(guó)際象棋大師卡斯帕羅夫。而如今，“深藍(lán)”所擁有的運(yùn)算能力在一部智能手機(jī)中就能實(shí)現(xiàn)，例如，iPhone 4S 所采用的A5處理器的運(yùn)算能力就能達(dá)到16 GFLOPS。2011年，IBM 的沃森（Watson）超級(jí)計(jì)算機(jī)由10個(gè)機(jī)架的IBM Power 750 服務(wù)器組成，配備15TB的隨機(jī)存取儲(chǔ)存器（RAM）以及2,880個(gè)處理器，運(yùn)算總能力達(dá)到80 TFLOPS，在《危險(xiǎn)邊緣》戰(zhàn)勝了兩位最優(yōu)秀的節(jié)目冠軍。你能想象在10年內(nèi)，我們手上的移動(dòng)設(shè)備就能夠擁有同樣的計(jì)算能力嗎？這并不是天方夜譚，不過(guò)這一進(jìn)程嚴(yán)重依賴(lài)于在實(shí)現(xiàn)摩爾定律的基礎(chǔ)上，人們所進(jìn)行的晶體管微縮化努力。

微縮化涉及兩大任務(wù)：將晶體管的尺寸做到更小，以減少成本/功能并改善性能與功耗。從以往的歷史來(lái)看，人們?cè)诿恳粋€(gè)新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上都能同時(shí)達(dá)到密度與性能目標(biāo)。在工藝向32nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，在每一代技術(shù)中人們都成功而精確地同時(shí)實(shí)現(xiàn)了集成電路面積的微縮與晶體管密度的翻倍的目標(biāo)。然而，人們?nèi)匀唤?jīng)常需要在性能、功耗以及密度/面積這些因素之間進(jìn)行權(quán)衡。工程師們也在開(kāi)發(fā)彌合代際差別的解決方案方面表現(xiàn)出驚人的創(chuàng)造性。

目前，人們?cè)诳朔@些技術(shù)極限方面已經(jīng)取得了一些突破性進(jìn)展。在材料方面，其中一項(xiàng)重大改進(jìn)是 High-K 材料的引入為柵極絕緣層微縮化所帶來(lái)的改善。應(yīng)變的引入能提升載流子的遷移率，抵消柵氧化層和柵長(zhǎng)度減少所導(dǎo)致的有限增益。在功率方面，供電電壓降低的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于微縮化理論所需的規(guī)劃值。因此，多核處理器、多閾值電壓（multi-Vt）、復(fù)雜的功耗管理策略便應(yīng)運(yùn)而生。如今，光刻技術(shù)正日益成為突破技術(shù)限制的羈絆。超紫外線技術(shù)（EUV）和在28nm及以下工藝中采用193nm波長(zhǎng)的技術(shù)被推延，催生了浸沒(méi)式光刻以及多重光刻技術(shù)，即人們所熟知的雙重圖形曝光技術(shù)（double patterning）?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，在14nm節(jié)點(diǎn)上，三重曝光技術(shù)的采用將在所難免。

正是人們的不斷地創(chuàng)新才讓各種產(chǎn)品遵循著摩爾定律而不斷向前發(fā)展。微縮化技術(shù)的發(fā)展史就是一部創(chuàng)新的歷史，絕不是簡(jiǎn)單地重復(fù)。最近在22nm納米技術(shù)上取得重大突破技術(shù)則是英特爾的3D器件架構(gòu)。這充分表明全耗盡晶體管能夠通過(guò)在相同面積上集成更多晶體管，從而改善集成電路性能和/或降低功耗，是一種卓越的解決方案。

全耗盡晶體管與傳統(tǒng)的晶體管在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別在于，前者的溝道并不由其摻雜程度(doping level)定義，而是由其物理尺寸（physical dimensions）定義，邊界由氧化物材料構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上的獨(dú)特性改善了溝道的柵控制，提高了性能并縮短了柵的長(zhǎng)度。此外，由于溝道定義不再受限于溝道的摻雜程度，全耗盡技術(shù)提供了另外一種選擇，既采用未摻雜溝道。這樣就能降低變異性，并提升載流子的遷移率。在當(dāng)前的電子科技條件下，溝道摻雜是導(dǎo)致變異性的主要源頭，而提高載流子的遷移率將提高驅(qū)動(dòng)電流，并提高工作頻率。