下代制程何去何从制造工艺发展史回顾

九门奇人

32nm成为公认的未来发展方向

目前半导体厂商所面临的挑战之一，就是工程师已经无法自如应用很多决定性能密度以及功耗的重要参数。在45nm制程这一节点上，在做到漏电控制的同时，物理栅极的厚度已经再无法减少了。一旦硅氧氮化物(锡永)栅极材料变薄，就会使得漏电不断增加。于是相关改进意见非常清楚了，这就是半导体技术未来需要从SiON向H。gh-K／metel栅极发展，以保持Effective Oxide Thickness(EOT)的连续性，同时实现32nm及更精细的氧化物物理层厚度。

当年Intel曾展示了使用了45nm High-K／metel栅极来截止电流。自2007年未，Intel已经推出了基于45nm工艺的处理器产品(Penryn)，而该公司在2007年公布的IEEDM报告，也是半导体界首次对High-K／metel栅极所能获得的成就进行展望。

而在EDM大会的处理器技术会议上，业界的焦点变成了向32nm转移。会上出现了五种不同的有关32nm--艺的论文，不过每篇都是基于High-k栅电介质Metal Gate，实现了在增加管线控制的同时减少漏电。向HIgh-K／metal栅极的转移，对于整个业界来说绝对是一次挑战，并且将会加速芯片产业的整合。这成为了其中几个45nm前忠实拥护者的转折点，他们最终选择了发展新的工艺技术。

无论是德州仪器或者是富士通，都是以高性能的工艺技术而闻名，并且与多家实力强劲的CPU设计团队拥有合作关系。这两家公司在代工合作伙伴的选择上都是TSMC，无论这样的决定是否因为HIgh-K／metal技术高昂的开发成本，但是现在的情况对于两家公司而言都不会感到轻松。目前这两家公司承受着沉重的财政压力，而工艺的发展与升级的代价则无法想象的高昂。

所有的人都会同意High-K／metel栅极需要CMOS技术继续有效的发展。不过这里几家公司之间也存在激烈的讨论，也就是关于什么是栅极堆栈最佳技术方面的讨论。这里主要有两种方法，分别为“gate first”和“gate Iast”。Intel是“gate last”的坚定支持者，而其他公司则倾向于使用“gate first”技术。

Intel的45nm工艺已经被多家不同的逆向工程公司所分析，而其“gate first”32nm工艺自然也被彻底得进行了检验。结果就是，“gate replacement”(gate last)很少有技术够应用在“gate first”工艺上，比如硅基与High-K栅极之间的第一个中间层，而其他技术无法使用。

比较起来，“gate first”与当前的SiON栅极和多晶硅栅极堆栈(polysilicon gate stacks)有些相似。基于High－K halfnium的栅极和金属电极材料都不是传统材料，“gate first”技术的一个难题就是，找出能够抵抗高温的晶体管堆栈(超过1000摄氏度)，而且还需要与适变技术要求一致。“gate first”技术的支持者表示，该技术更简单并且可以更好地适应将来节点的发展。

两次图形曝光技术是关键

随着工艺的不断提升，在没有找到193nm ArF光源的替代之前，印刷技术正面临着越来越严竣的考验。这里有两种改善方案：减少k1或者增加数值孔径(NumericaAperture)。去年几乎所有的半导体厂商(除了Intel)，均宣布将会在45nm节点使用ImmersionLlthography(沉浸式光刻)技术来满足未来的需求，大家最熟悉的可能就要算AMD的羿龙龙Ⅱ处理器了。

为了获得32nm工艺上期望的尺寸值业界统一的意见认为，两次图形曝光是所需要的光刻技术。来自东芝和NEC的相关论文，也显示了标准单次曝光的不适应性。幸运的是，两次图形曝光光刻工具要比沉浸式光刻破裂要少。当然另一个问题就是，当未来推出22nm工艺之后，会需要什么样的额外技术。

最新生产工艺技术对比

在制程工艺中，往往通过对比当前高精度芯片技术下的NFET(X-axis)和PFET(Y-axis)性能来评定优劣。从结果来看，IBM和Intel的晶体管性能最强，其中Intel PMOS性能高出7％。这也表示Intel、IBM和AMD设计团队的设计基础是基本接近的。根据介绍，Inte将会在2009年晚些时候推出32nm工艺，这要比IBM和AMD领先将近一年。这也意味着在将近一年的时间里，Intel将会拥有性能上的优势。

IBM 45nm High-K／metal栅极SOI工艺给人的印象相当深刻，基本上体现了32nm工艺的性能。不过从描述来看应该是以研究为主，可能并不会实际生产。不过令人惊讶的是，Intel较老的45nm High-K／metal工艺则经受住了考验。当然如果让其与32nm High-K／metal工艺进行竞争，是肯定没有指望的。

IBM与TSMC均展示了32nm bulk工艺出色的性能，以及相对于当前45nm工艺的提升。IBM与TSMC两家公司基本相同，但是有略有区别，其中TSMC的PFETs性能更好，但是在NFET性能上要略逊一筹。

32nm制程继续引领芯片革命

再次回到我们熟悉的DIY领域，目前行业巨头Intel即将发布具备业界领先特性的32nm逻辑技术，同时Intel也是第一家演示了可运行32nm处理器的厂商。目前Intel的32nm工艺已经准备就绪，计划于2009年第四季度投入生产，这项工艺的CPU和SoC版本即将推出。作为一家芯片集成电路制造商，Intel凭借强大研发使我们能够继续按照每两年的发展节奏继续推出未来几代的芯片制程技术。至于下一代制程技术何时真正成熟，让我们拭目以待吧。

知识链接：什么是制程工艺

通常我们所说的CPU“制作工艺”指的是在生产CPU过程中，要加工各种电路和电子元件。精度越高，生产工艺越先进。在同样的材料中可以制造更多的电子元件，连接线也越细，提高CPU的集成度，CPU的功耗也越小。

制造工艺的纳米是指IC内电路与电路之间的距离。制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。密度愈高的IC电路设计，意味着在同样大小面积的IC中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。微电子技术的发展与进步，主要是靠工艺技术的不断改进，使得器件的特征尺寸不断缩小，从而集成度不断提高。功耗降低，器件性能得到提高。

总体来说，更先进的制成工艺需要更久的研制时间和更高的研制技术，但是更先进的制成工艺可以更好地提高中央处理器的性能，并降低处理器的功耗，另外还可以节省处理器的生产成本，以便降低售价。