新材料晶体管为摩尔定律添活力

新材料晶体管保摩尔定律10年无忧

半导体制造业经过了长时间的等待后，终于在芯片制程进入65纳米时代后，盼来了新型栅介质材料研发成功的消息。早在2006年1月，英特尔就向业界发布了它采用研发中的45纳米制程成功生产出基于新型高-K栅介质+金属栅极晶体管的SRAM测试芯片的新闻，可它当时并未披露有关高-K栅介质和金属栅极材料方面的细节，直到今年1月底，它才对这两个晶体管关键部分的材料进行了“有限”的解密。

之所以说有限，是因为这次英特尔仍然没有透露它的高-K栅介质和金属栅极到底采用了哪些材料。“具体材料方面的信息是我们的商业机密，目前还不便公布”，在1月29日于北京举行的英特尔45纳米制程媒体沟通会上，英特尔资深技术专家赵军表示：“英特尔的高-K栅介质和金属栅极材料，是从数百种可选材料中精心筛选出来的。我们现在能够说明的，就是高-K栅介质的材料是一种基于铪的绝缘物质，还有，在NMOS和PMOS晶体管上，我们采用了不同材料的金属栅极。”

虽然在高-K栅介质和金属栅极材料方面有所保密，英特尔对它们的作用却介绍得非常详细。赵军表示：“与目前晶体管中使用的二氧化硅栅介质相比，由铪基材料制成的高-K栅介质即使在厚度更高、即绝缘能力较强的情况下，也可以产生比前者更高的场效应。这一特性意味着它不但能减少栅介质漏电，还能为晶体管阀值电压的降低和切换速度的提升提供强有力的支持。此外，与多晶硅栅极相比，金属栅极也可以增强晶体管的场效应。由于多晶硅栅极在与铪基材料栅介质搭配时，会出现让晶体管性能降低的不良效应，因此它与二氧化硅栅介质一起被英特尔淘汰了。”

赵军还列举了一连串的数据，来证明高-K栅介质+金属栅极晶体管为英特尔45纳米制程带来的种种好处：“与今天正在使用的65纳米制程相比，我们即将推出的45纳米制程可使晶体管的尺寸缩小1倍，让同尺寸芯片上的晶体管密度增加1倍，它还将晶体管切换功率降低了30%以上、性能提升了20%以上、栅介质漏电和源极-漏极漏电功率分别降低了10倍和5倍以上。”

对于融入了新型晶体管的45纳米制程带来的上述性能和漏电方面的进步，英特尔公司的高层给予了高度评价，戈登·摩尔认为：“采用高-K栅介质和金属栅极材料，是自上世纪60年代晚期推出MOS晶体管以来，晶体管技术领域里最重大的突破。”领导了英特尔45纳米制程开发的英特尔高级院士Mark Bohr则表示：“新制程将帮助英特尔公司推出速度更快、效能更高的多核产品，并使摩尔定律在下一个十年继续发扬光大。”

基于新材料晶体管的处理器即将上市

就在英特尔为新型晶体管和新制程技术的成功研发欢欣鼓舞之际，IBM也宣称它与AMD、索尼、东芝等芯片领域的合作伙伴在晶体管高-K栅介质和金属栅极的开发上取得了重大进展。与英特尔不同，IBM和它的合作伙伴们几乎没有公布任何相关的技术细节，只是表示，他们采用45纳米制程和高-K栅介质+金属栅极晶体管的芯片产品将于2008年内推出。

与IBM一方相比，英特尔在新制程的投产上动作更快。自从去年初用结合了高-K栅介质+金属栅极晶体管的45纳米制程试制了SRAM测试芯片后，英特尔对这种新制程的验证测试工具和方法已经日趋成熟。

在此基础上，英特尔开始着手开发采用45纳米制程、包含15种以上双核及四核产品、涵盖了笔记本电脑、台式机、工作站和服务器领域的Penryn（研发代号）系列处理器，这些处理器仍然基于酷睿（Core）微架构，与现有基于同一架构的65纳米制程产品相比，它们最大的改进就是将增添约含50条指令的SSE4指令集，而且双核产品的二级缓存容量最高可达6MB、集成的晶体管数量超过4亿个，四核产品的二级缓存容量上限为12MB，集成的晶体管数量超过8亿。显而易见，Penryn系列处理器的这些改进应归功于新制程带来的晶体管尺寸缩小、密度提升。而高-K栅介质+金属栅极晶体管的作用，则是让Penyrn系列处理器的性能更高、功耗更低。

近期，英特尔已经试生产了包括双核笔记本电脑处理器、双核和四核的台式机及服务器处理器在内的五款Penryn系列处理器样品，并在基于这些样品的平台上顺利运行了Windows 2000/XP/Vista、Mac OS X、Linux等操作系统和主流的办公、游戏、多媒体编辑及播放和企业级应用软件。Penryn系列处理器样品的成功试生产和试用，标志着英特尔在使用45纳米制程生产、验证和测试处理器方面的问题已基本解决，意味着正式产品上市的时间已经近在眼前。英特尔表示，它将于今年下半年开始向市场交付Penryn系列处理器产品。为了保证其产能充足，英特尔计划于今年下半年和明年上半年分别调动它位于美国的两家12英寸晶圆厂和设在以色列的一家12英寸晶圆厂投产Penryn系列处理器。

三栅极晶体管

随着Penryn系列处理器投产日期的临近，英特尔的45纳米制程对于半导体制造业来说，已经没有太多悬念可言。多数业内人士的目光正在转向英特尔计划在2009年推出的32纳米制程，在这一制程中，英特尔可能将导入一种更新的晶体管——三栅极晶体管（又称三门、三闸或3D晶体管）。

与高-K栅介质+金属栅极晶体管侧重于晶体管材料方面的改进不同，三栅极晶体管追求的是晶体管形态的进化。它把传统晶体管置于硅底层中的源极、漏极和沟道“拔”出了硅底层表面，让沟道与栅极/栅介质的接触面从一个面变成三个面。由于三个面上所能聚集的电子或空穴的数量要远远超过在一个面上所能达到的水平，因此，与沟道长度相同的传统晶体管相比，三栅极晶体管的阀值电压更低、切换速度更快，漏电更少，在性能和功耗表现上明显优于传统的晶体管。

早在2002年时，英特尔就曾发布消息，称它在实验室中成功制造出了三栅极晶体管，并验证了这种晶体管的性能和功耗优势。随后几年间，英特尔一直在对这种晶体管进行改进，预计它的三栅极晶体管正式亮相时，也会配备高-K栅介质和金属栅极。

除英特尔外，还有很多芯片制造商也在研发三栅极晶体管，其中就包括了英特尔在芯片制造技术上最强的竞争对手IBM。不过，从已知的信息来看，如果不出意外，英特尔很可能成为业界首家将三栅极晶体管实现产品化的厂商。

碳纳米管连线

众所周知，改进制程不但会缩小芯片上晶体管的尺寸，同样也会让芯片中的铜连线变细。或许是晶体管尺寸缩小引发的漏电问题如今被炒得太火了，以致于让人们忽视了铜连线不断变细后产生的电子迁移现象。

富士通认为，目前芯片中的铜连线到大约2010年时就会因为严重的电子迁移现象而无法做得更细。届时，芯片制造商们要想继续推动制程的更新，就必须另选一种材料的连线来取代铜连线。在富士通眼中，碳纳米管就是新型连线材料的最佳选择，因为碳纳米管连线要比铜连线细得多，而且电阻几乎可以忽略不计，其电流密度承载能力是后者远远无法比拟的。

对于富士通的看法，许多芯片制造商都表示赞同，英特尔就是其中之一，它正与美国多所大学合作研发碳纳米管芯片连线，并于去年制出了采用这种连线、供测试用的原型产品。

值得一提的是，由于结构不同，碳纳米管可分为导体型和半导体型，前者可以作为新型芯片连线的材料，而后者则能用来制造碳纳米管晶体管，以取代硅晶体管。在碳纳米管晶体管的研发上，IBM目前处于业界领先地位。

不论是碳纳米管连线，还是碳纳米管晶体管，要实现产品化还需要等待很长时间，这是因为碳纳米管在短期内还很难实现大规模量产。

(文/艾维)