半導體魔法：從沙子到芯片

32納米處理器已出現在主流市場(chǎng)，這應該歸功于Intel。在過(guò)去的三十多年里，Intel始終在半導體工藝方面保持領(lǐng)先地位，并精確地沿著(zhù)摩爾定律前行。那么，半導體工藝是如何實(shí)現從沙子到芯片的魔法呢？
在某種意義上說(shuō)，半導體制造工藝決定了IT業(yè)界的走向，它是我們所知一切計算設備最基礎的元素，倘若沒(méi)有半導體工藝的出現，就不會(huì )有像樣的計算機，當然就更別指望互聯(lián)網(wǎng)了。同樣，半導體工藝也決定著(zhù)芯片的計算性能：今天的芯片設計師可以毫無(wú)困難地設計出包含100億個(gè)晶體管的CPU或GPU芯片，但現在的半導體工藝還無(wú)法承擔這個(gè)任務(wù)，即便是剛登場(chǎng)的32納米工藝，理論上它也是最多可制造出50億晶體管的芯片，當然現在還沒(méi)有集成度這么高的。
     出于對提升競爭力的渴求，芯片廠(chǎng)商總是對半導體工藝孜孜以求，新工藝可以帶來(lái)更小的線(xiàn)寬，這就意味著(zhù)芯片可以具有更低的發(fā)熱量、更高的工作頻率、更小的芯片尺寸、更高的集成度以及更低的制造成本，我們可以看到，在架構升級的同時(shí)，半導體廠(chǎng)商總是在制造工藝領(lǐng)域進(jìn)行激烈競爭，譬如CPU領(lǐng)域的Intel與AMD，GPU領(lǐng)域的NVIDIA與AMD，均是如此。
    Intel擁有世界上最強大的半導體工廠(chǎng)和相應的研發(fā)能力，在很大程度上說(shuō)，制造技術(shù)也是它一直能在CPU市場(chǎng)居于壟斷地位的關(guān)鍵。AMD在拆分半導體業(yè)務(wù)后成為無(wú)工廠(chǎng)半導體企業(yè)，產(chǎn)品制造依賴(lài)代工，同樣采取這種模式的還有NVIDIA。而在芯片制造領(lǐng)域，臺灣的TSMC實(shí)力最強，新生的GlobalFoundries囊括原AMD的半導體工廠(chǎng)和新加坡特許半導體，實(shí)力也不容小視，不過(guò)這些廠(chǎng)商都聚攏在IBM周?chē)?，以?lián)盟的形式共同承擔高成本的技術(shù)研發(fā)。
    伴隨著(zhù)Core i7/i5/i3的到來(lái)，Intel的半導體工藝正式進(jìn)入到32納米時(shí)代，TSMC、IBM、GlobalFoundries陣營(yíng)則直接從45納米向28納米發(fā)起沖擊，Intel的下一個(gè)目標直接鎖定22納米，與此對應，我們將會(huì )看到動(dòng)輒包括幾十億晶體管的計算芯片尋?？梢?jiàn)，而在32納米工藝下，一個(gè)晶體管的大小只相當于一個(gè)感冒病毒。
半導體工藝的發(fā)明與摩爾定律
我們都熟知，半導體芯片所用的制造材料都是二氧化硅，而二氧化硅的來(lái)源基本上就是遍布河灘、海灘的沙子。大眾很難將沙子與高科技的芯片劃上等號，但事實(shí)就是如此。
現代半導體制造技術(shù)可以追溯到1959年，當時(shí)的仙童公司和德州儀器同時(shí)發(fā)明了集成電路：通過(guò)一種特殊的平面處理技術(shù)讓硅晶體管大批量集中在同一塊芯片上，而不是像從前那樣只能一個(gè)個(gè)晶體管地生產(chǎn)組裝，這也就是我們今天所說(shuō)的半導體制造技術(shù)。這項技術(shù)使計算產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了深刻的改變，帶動(dòng)了計算機的運算性能和存儲容量快速提升，為后來(lái)的發(fā)展奠定了基礎。
    1964年，作為仙童公司創(chuàng )始人之一的摩爾博士在作統計圖表時(shí)發(fā)現一個(gè)奇特的規律：集成電路中的晶體管數目，每隔18個(gè)月都會(huì )往上翻一番。摩爾預言這種趨勢在未來(lái)將一直持續，這也就是著(zhù)名的“摩爾定律”。1968年，摩爾與諾依斯、葛羅夫一道離開(kāi)了仙童公司，創(chuàng )辦Intel公司，在Intel進(jìn)軍X86處理器領(lǐng)域后，摩爾定律被Intel奉為企業(yè)發(fā)展的靈魂，并嚴格按照這個(gè)規律對半導體技術(shù)進(jìn)行升級。同樣，秉承仙童血統的Intel一直都將半導體制造視為業(yè)務(wù)核心，奠定了它在芯片領(lǐng)域牢不可破的優(yōu)勢。
原理：從沙子到芯片的過(guò)程
以今天的目光來(lái)看，仙童時(shí)代的集成電路是非常簡(jiǎn)陋的，它只能在一枚芯片內容納幾百個(gè)晶體管，而今天的32納米工藝將這個(gè)數量推高到幾十億。盡管數字如此懸殊，但它們的原理、設備與生產(chǎn)流程并沒(méi)有本質(zhì)性的不同。
制造晶圓是生產(chǎn)芯片的第一步，晶圓的成分就是純度達99.99%以上的硅晶體，它的原始材料就是二氧化硅，經(jīng)過(guò)提純、拉晶等多道復雜的工序后成為超高純度的晶圓棒，之后晶圓棒再被切割為一個(gè)個(gè)均勻的薄片，這些硅薄片就是我們所說(shuō)的晶圓。
    在接下來(lái)的工序中，這些硅晶圓會(huì )被劃分為一個(gè)個(gè)矩形的區域，它們與一枚枚芯片相對應，邏輯電路便在這里生成。生成邏輯電路的工序與照相非常類(lèi)似，它們都是將影像顯示在底片上，對半導體生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，這個(gè)影像就是芯片邏輯的縮微電路圖，具體地說(shuō)，芯片的邏輯圖會(huì )以電路磁帶的方式提交給芯片工廠(chǎng)，工廠(chǎng)再利用電子束曝光系統將磁帶上存儲的電路圖形以金屬鉻膜的形態(tài)制作在玻璃或石英上，這樣就制造出了“光罩”。接下來(lái)，“光罩”被放置在硅晶圓表面，工程人員則操作光刻機，利用規定波長(cháng)的紫外線(xiàn)照射硅片。有“光罩”金屬鉻膜的地方，光線(xiàn)被遮擋，而在沒(méi)有金屬鉻膜的地方，紫外線(xiàn)就透過(guò)玻璃或石英到達硅片上，形成所需要的圖形，這個(gè)過(guò)程也被稱(chēng)為“顯影”。
    “顯影”工序只是將芯片的電路圖形顯示在硅片上，接下來(lái)要進(jìn)行的就是電路圖的永久固定生成，它主要包括蝕刻、離子植入和金屬濺鍍等幾個(gè)步驟，蝕刻的任務(wù)是將硅片上不需要的部分去掉，形成容納導線(xiàn)的凹槽，目前主流技術(shù)是采用電子束垂直轟擊的方式進(jìn)行。
    蝕刻工作完成后，就產(chǎn)生了線(xiàn)路凹槽，電路圖樣被固化在硅片中，下一步工作就是進(jìn)行離子植入和金屬濺鍍，構建出半導體組件和連接的線(xiàn)路。這樣，芯片的關(guān)鍵制造工作就完成了。不過(guò)我們還需要將它封裝起來(lái)。封裝有兩個(gè)作用，一是用堅硬的外殼來(lái)保護芯片；二就是建立信號引腳，使得芯片能夠與主板通訊。
障礙：漏電流令摩爾定律一度停滯
從1956年一直到2003年，摩爾定律的運行沒(méi)有遭遇任何強有力的挑戰，半導體工業(yè)很精確地按照這個(gè)規律前進(jìn)。但從2004年的90納米工藝開(kāi)始，摩爾定律就遇到麻煩，此時(shí)晶體管的一個(gè)關(guān)鍵部件即將達到極限，這個(gè)部件就是位于柵極、源極和漏極電子流通道之間的二氧化硅絕緣層。在采用90納米工藝時(shí)，這個(gè)絕緣層的厚度僅有1.2納米，相當于5個(gè)原子的厚度。
    如此之薄的絕緣層讓漏電流變得越來(lái)越嚴重，并成為一種災難。此時(shí)為了保證信號的穩定性，制造商不得不通過(guò)提高門(mén)電壓或增大驅動(dòng)電流的方式加以補償，而這就意味著(zhù)發(fā)熱量激增，芯片的穩定性也變差。顯而易見(jiàn)，漏電流問(wèn)題如果不得到妥善的解決，那么摩爾定律將不再有效，半導體工藝也會(huì )因此陷入停滯。
    盡管加厚絕緣層可以緩解漏電流，但它會(huì )令芯片尺寸增大，幾乎抵消了新工藝帶來(lái)的好處。既然此路不通，而二氧化硅材料也達到了極限，那么采用新的材料就成為突破口。這種新材料要求具有更高的K值（介電常數值），在同樣厚度下仍可起到良好的絕緣作用，避免漏電流的發(fā)生。Intel的工程人員成功地研發(fā)出可滿(mǎn)足要求的高K材料，這種材料加入了鉿基成分，同時(shí)為了解決工藝兼容問(wèn)題，Intel還引入一種新的金屬柵極。最終，新的晶體管技術(shù)使源極－漏極的漏電流降低5倍以上，柵極漏電流減少了10多倍，這相當于將傳統絕緣層的厚度“增加”了10倍。
    就這樣，高K材料讓摩爾定律可以繼續前行，這項技術(shù)被Intel成功地應用于45納米工藝中，新到來(lái)的32納米工藝同樣受益于此。如你所見(jiàn)，新一代芯片都具有優(yōu)良的能耗特性，漏電流不再成為困擾。
    在Intel之后，IBM與日本的一些半導體企業(yè)也先后披露了類(lèi)似的成果，IBM同樣將在新一代工藝中采用這項技術(shù)。
封裝：芯片的保護與電氣性能
半導體芯片都采用多層結構，不同的邏輯電路層再通過(guò)專(zhuān)門(mén)的線(xiàn)路連接在一起，早期半導體工業(yè)采用鋁互聯(lián)，大約在2000年前后改用電阻率更低的金屬銅，目前Intel的處理器廣泛采用9層銅互連結構。盡管銅互連技術(shù)能夠一直滿(mǎn)足到15納米階段的需要，但業(yè)界均認為光互連將成為銅互連技術(shù)的天然替代者。
封裝是芯片生產(chǎn)中的最后一個(gè)制造工序，封裝本身并不影響芯片的性能，但它依然十分重要，不僅起著(zhù)安放、固定、密封、保持芯片和增強電熱性能的作用，也對芯片的工作穩定性、安全性有著(zhù)很大的影響。
    首先，芯片的信號接觸點(diǎn)必須用導線(xiàn)連接到封裝外殼的引腳或觸點(diǎn)上，這些引腳或觸點(diǎn)又通過(guò)PCB板上的導線(xiàn)與其他器件建立連接，從而實(shí)現內部芯片與外部電路的連接。對于高頻率的芯片來(lái)說(shuō)，封裝技術(shù)會(huì )影響到它們工作的穩定性。
    芯片面積與封裝面積的比值，是封裝時(shí)主要考慮的因素。為提高封裝的效率，二者要盡量接近1:1，同時(shí)引腳要盡量短以減少延遲，引腳間的距離則要求盡量遠，以保證互不干擾、提高性能?；谏岬囊?，封裝越薄越好。不難看出，上述的若干要求之間是存在矛盾的，半導體廠(chǎng)商則會(huì )根據芯片的實(shí)際情況選擇不同的封裝方式。
    Intel從Prescott時(shí)代引入的LGA封裝曾備受爭議，這種封裝以信號觸點(diǎn)代替傳統的針腳，以提高信號質(zhì)量、滿(mǎn)足高頻運作的要求。AMD的高端桌面和服務(wù)器芯片現在也都采用類(lèi)似的技術(shù)。不過(guò)移動(dòng)型計算芯片都還是沿用傳統的針腳方式，這樣做主要是考慮空間占用的因素。而在封裝尺寸上，我們可以看到，桌面芯片總是比移動(dòng)型芯片大得多，芯片表面也覆蓋著(zhù)具有保護作用的金屬蓋；移動(dòng)芯片尺寸則小，同時(shí)也沒(méi)有金屬保護蓋，原因在于桌面芯片經(jīng)常拆換，必須有嚴密的保護；而移動(dòng)芯片都是在筆記本電腦的內部，除非專(zhuān)業(yè)維修人員，其他人是不會(huì )輕易去動(dòng)它們的。
未來(lái)：28納米到光芯片
Intel Core i5和i3充分展現了32納米的風(fēng)采。作為主流定位的處理器，這兩款產(chǎn)品都展現出了一流的性能，同時(shí)功耗和芯片尺寸控制得非常好，并在封裝內集成了一枚GPU芯片。這兩個(gè)系列的到來(lái)，也意味著(zhù)Intel處理器將開(kāi)始全部轉入32納米體系，這個(gè)過(guò)渡階段將在2010年內宣告完成。
    與Intel相比，作為競爭對手的AMD剝離了半導體業(yè)務(wù)而輕裝上陣，但這也意味著(zhù)AMD默認了在工藝上落后的事實(shí)?，F在，AMD剛剛完成45納米工藝的過(guò)渡，在未來(lái)一年它仍然是主角。不過(guò)到明年底，TSMC和GlobalFoundries就能夠實(shí)現28納米工藝的生產(chǎn)，屆時(shí)AMD GPU與CPU都將開(kāi)始直接跳到28納米階段，雖然此時(shí)45納米產(chǎn)品還是市場(chǎng)主力，但這已經(jīng)能夠對Intel的32納米工藝產(chǎn)品形成制衡。
    這種錯位發(fā)展的策略非常英明，不過(guò)它并非AMD的杰作，而是IBM芯片技術(shù)聯(lián)盟的共識，幾乎除Intel外的所有半導體廠(chǎng)商都聚攏在IBM周?chē)?，對未?lái)的半導體工藝進(jìn)行合作研發(fā)，以此實(shí)現分攤高昂研發(fā)成本。
    按照Intel的路線(xiàn)圖，32納米工藝將一直活躍到2011年，之后更先進(jìn)的22納米技術(shù)便登臺亮相，再往后的兩年，便達到15納米階段，此時(shí)，半導體工藝也將迎來(lái)自己的極限，也許Intel還可以通過(guò)新技術(shù)延長(cháng)它的壽命，但潛力已經(jīng)越來(lái)越小。業(yè)界普遍認為，硅光技術(shù)將取代傳統半導體芯片成為新的王者，以光信號為介質(zhì)的計算芯片離我們越來(lái)越近。顯然，在未來(lái)的光芯片時(shí)代，或許將有新的法則來(lái)取代摩爾定律。
    在半導體工藝前進(jìn)的同時(shí)，IC設計的思想也在不斷地發(fā)生變化，從最早的頻率至上，到現在已成標準的多核心設計，業(yè)界一致認為，擁有大量專(zhuān)用加速單元的多核心設計將成為未來(lái)，而CPU與GPU的結合趨勢也初步顯現。我們相信，在未來(lái)的十年，半導體工業(yè)將進(jìn)入一個(gè)全新的階段。

轉自：http://www.chip.cn/index.php?option=com_content&view=article&id=2202