新材料晶体管为摩尔定律添活力

过去近四十年来一直被芯片制造商们奉为金科玉律，对几乎所有IT和通信产品的发展进化都起到了重要推动作用的摩尔定律，目前正面临着“失效”的危机。但是——新材料晶体管为摩尔定律添活力

近两三年来，在芯片制造业有这样一种论调让人们颇为关注，甚至感到忧虑，这就是过去近四十年来一直被芯片制造商们奉为金科玉律，对几乎所有IT和通信产品的发展进化都起到了重要推动作用的摩尔定律，目前正面临着“失效”的危机。

本来摩尔定律迟早是要走到尽头的，连该定律的始作俑者、英特尔公司的共同创办人戈登·摩尔都从未否认过这一趋势。他在2005年摩尔定律迎来40岁生日之际曾公开表示：“类似摩尔定律的法则不可能永远持续下去。”但他也明确指出，摩尔定律还不会在现在或未来短短几年内寿终正寝，可能只有等到晶体管尺寸缩小到接近于其物理极限，即与硅原子的尺寸相近时，该定律才会真正终结。他认为，摩尔定律的有效期还可能再持续10到20年。

从目前芯片制造商采用的主流制程来看，即使是用目前最先进的65纳米制程生产的芯片，其晶体管的尺寸也远远没有达到摩尔所说的物理极限。那么，为什么半导体制造业还会传出质疑摩尔定律能否继续生效的声音呢？

晶体管漏电阻碍芯片制程更新

事实上，关于摩尔定律即将过时或失效的言论并非空穴来风，它之所以会在近几年出现，恐怕与主流芯片制程在同时期开始从深亚微米级（0.25微米以下）转向纳米级（0.05微米，或50纳米以下）不无关系。因为在这一转换过程中，有许多芯片制造商发现，他们虽然可以采用更加“精细”的制程做出尺寸更小的晶体管和金属连线，达到摩尔定律“芯片上晶体管数量每两年翻一番”的目标，但他们却无法有效地解决因晶体管不断微缩所引发、并日趋严重的漏电问题，这自然使他们对能否继续按照摩尔定律进行芯片制程革新心存顾虑。

目前，在晶体管内部出现的漏电有两种，一种是栅介质（又称栅极氧化物）漏电，另一种为源极—漏极漏电，而前者正是眼下最让芯片制造商们头疼和对摩尔定律有效性威胁程度最高的问题。

对晶体管构造稍有了解的人都知道，栅介质是位于晶体管栅极和硅底层之间的绝缘层。它的作用，就是在栅极被施加正电压时在栅极和硅底层之间产生较高的场效应，将硅底层中带负电的电子尽可能多地吸附到源极和漏极之间、紧靠自己的硅底层沟道中，并阻止这些电子从硅底层进入栅极，从而让源极和漏极导通（在NMOS晶体管中）。

在芯片制造商从上世纪60年代末沿用至今的MOS（多晶硅栅极金属氧化物半导体）晶体管中，栅介质的材料一直是拥有良好绝缘属性的二氧化硅，按说它本不该造成漏电。然而，在晶体管尺寸持续缩小的过程中，这一问题还是出现了——为了在更小的晶体管上获得更高的性能，芯片制造商希望在保持其较高的场效应的前提下尽量降低栅极阀值电压，而要达到这一目标，削减栅介质的厚度是见效最快和最节省成本的方法。于是，芯片制造商们在把晶体管造得越来越小的同时，也把它的栅介质做得越来越薄。可是，栅介质在薄到一定程度后，其绝缘能力就出现了明显的恶化，这实际上就意味着硅底层中有越来越多的电子能够冲破栅介质的“防线”进入栅极，导致栅介质漏电的出现及加剧。

栅介质漏电最直接的结果，就是让原本应进入硅底层沟道，在晶体管状态切换时做“有用功”的部分电子流入栅极后白白浪费掉，这对晶体管的切换速度，也就是性能存在不利影响。如果在这种情况下芯片制造商还要确保晶体管性能的提升，最方便的解决办法就是提高晶体管的栅极电压，为硅底层沟道吸引更多的电子，来弥补栅介质漏电带来的损失。不过，芯片制造商们对于这种做法并不赞同，因为它会让晶体管和整个芯片的功耗增加，有违半导体制造业正努力提升产品性能功耗比的趋势。

除了增加电压这种无奈的方法外，在芯片制程技术研发和推进上处于业界领先地位的英特尔、IBM和AMD等厂商还另辟蹊径，于2003到2004年先后导入了能够在不增加晶体管漏电前提下加快源极和漏极间电流速度的应变硅（或应力硅）技术来提升晶体管的切换速度，虽然这种技术的实用效果还算让人满意，但它也是治标难治本，对晶体管漏电问题的改善有限。

为了防止栅介质漏电状况继续恶化，许多芯片制造商只得停止了对晶体管栅介质的进一步“薄化”。以英特尔为例，它于2003年推出的90纳米芯片制程已将晶体管栅介质的厚度减至1.2纳米，即相当于5个原子层的厚度，而时隔两年后，在它使用65纳米制程生产的芯片上，其晶体管栅介质的厚度还是1.2纳米。

但是在把晶体管缩小的同时，保持栅介质的厚度不变，这种做法虽然不会让漏电问题变得更糟，但也不会让它有所好转，只能算是权宜之计。芯片制造商们要以更低的功耗，在更小的晶体管上获得更高的性能，关键还是要找到一种可以从根本上解决或缓解晶体管漏电的办法。事实上，英特尔、IBM、AMD、NEC、东芝等芯片业巨头们早在数年前就启动了相应的研发工作，而且他们都不约而同地将研发重点锁定在选择一种可以取代二氧化硅，既能保持较高场效应（即有高-K属性）、又能有效阻隔漏电流的全新栅介质材料上。