高K-金屬柵極和45納米有什麼關係?

作者 趙軍, 2007年10月25日

上篇——物理極限

在過去一年中，隨著媒體對英特爾45納米和高K-金屬柵極的介紹和評論，讓大家開始知道這兩個新詞彙，所以大家可能有這樣的疑問：在處理器量產中採用的45納米晶片生產工藝和同時提及的高K-金屬柵極有什麼關係嗎？高K-金屬柵極到底是什麼？為什麼說成功研製高K-金屬柵極並將之付諸量產是半導體業界裡程碑式的技術變革和突破？

為了回答這個問題，讓我們來先了解什麼45納米(nm)生產工藝或者製程 ? 45納米不是指的晶片上每個電晶體的大小，也不是指用於蝕刻晶片形成電路時採用的雷射光源的波長，而是指晶片上電晶體和電晶體之間導線連線的寬度，簡稱線寬。半導體業界習慣上用線寬這個工藝尺寸來代表矽晶片生產工藝的水平。早期的連線採用鋁，後來都採用銅連線了。

注釋：1微米=1000納米，1納米(nm)為10億分之1米。

處理器生產工藝從早期的0.8微米，0.6微米，0.35微米，0.25微米，0.18微米，0.13微米，90納米(0.09微米)，到今天的65納米，即將到來的45納米以及將來的32納米等等。

處理器(CPU)性能的不斷提高離不開優秀的核心微架構的設計，而晶片生產工藝的更新換代是保證不斷創新設計的處理器變為現實的基礎。每一次製作工藝的更新換代都給新一輪處理器高速發展鋪平了大道。因為線寬越小，電晶體也越小，讓電晶體工作需要的電壓和電流就越低，電晶體開關的速度也就越快，這樣新工藝的電晶體就可以工作在更高的頻率，隨之而來的就是晶片性能的提升。

大家習慣了晶片生產工藝兩年一次的更新換代，給大家的感覺好像是從65納米到45納米同以前從130納米到90納米，以及從90納米到65納米一樣沒有什麼特別的。摩爾定律嘛，就是每24個月，在同樣面積的矽片上把2倍的電晶體「塞」進去，循環往復……

從單個電晶體的角度來看，為了延續摩爾定律，我們需要每兩年把電晶體的尺寸縮小到原來的一半。現在的工藝已經將電晶體的組成部分做到了幾個分子和原子的厚度，組成半導體的材料已經達到了它的物理電氣特性的極限。最早達到這種極限的部件是組成電晶體的柵極氧化物——柵極介電質，現有的工藝都是採用二氧化矽(SiO2)層作為柵極介電質，如下圖。大家也把源極(Source)和漏極(Drain)之間叫做溝道，在柵極氧化物上面是柵極(Gate)。

二氧化矽是什麼？玻璃，水晶和石英的主要成分就是二氧化矽，它是一種良好的絕緣體。

同1995年電晶體中二氧化矽層相比，65納米工藝的電晶體中的二氧化矽層已經縮小到只有前者的十分之一，僅只有5個氧原子的厚度了。作為阻隔柵極和下層的絕緣體，二氧化矽層已經不能再進一步縮小了，否則產生的漏電流會讓電晶體無法正常工作，如果提高有效工作的電壓和電流，會使晶片最後的功耗大到驚人的地步。

為了使大家更好的理解問題的實質，讓我們來回顧一下電晶體的工作原理。下圖中的S是指源極(Source)，D是指漏極(Drain)，G是柵極(Gate)。電晶體的工作原理其實很簡單，就是用兩個狀態表示二進位的「0」和「1」。

源極和漏極之間是溝道(Channel)，當沒有對柵極(G)施加電壓的時候，溝道中不會聚集有效的電荷，源極(S)和漏極(S)之間不會有有效電流產生，電晶體處於關閉狀態。可以把這種關閉的狀態解釋為「0」，

當對柵極(G)施加電壓的時候，溝道中會聚集有效的電荷，形成一條從源極(S)到漏極(D)導通的通道，電晶體處於開啟狀態，可以把這種狀態解釋為「1」。這樣二進位的兩個狀態就由電晶體的開啟和關閉狀態表示出來了。

我們可以把柵極比喻為控制水管的閥門，開啟讓水流過，關閉截止水流。電晶體的開啟/關閉的速度就是我們說的頻率，如果主頻是1GHz，也就是電晶體可以在1秒鐘開啟和關閉的次數達10億次。

回到前面的問題，從65納米開始，我們已經無法讓柵極介電質繼續消減變薄，而且到45納米，電晶體的尺寸要進一步縮小，源極和漏極也靠得更近了，如果不能解決柵極向下的漏電流問題以及源極和漏極之間的漏電流問題，摩爾定律也許就此終結。

現有材料都到物理極限了，怎麼辦呢？英特爾的技術精英們在九十年代中期就認識到這個問題了，進一步縮小二氧化矽層是不可能的了，需要突破習慣的思維方式，尋找未知的新材料，讓摩爾定律繼續有效。放棄已經用了近40年的現有材料，做出這樣的決定需要巨大的勇氣和科學的睿智。預知結果如何，且聽下回分解。

本文來源：網易科技報導 責任編輯：王曉易_NE0011