如何利用工程加工基板實現(xiàn)晶體管微縮化

晶體管的持續(xù)微縮化對我們的日常生活有著超乎尋常的影響力?；叵?997年，IBM所制造的巨型超級計算機“深藍(lán)”重量達(dá)到1.4噸，運算能力為11.38 GFLOPS 。“深藍(lán)”在六局國際象棋大賽中擊敗了著名的俄羅斯國際象棋大師卡斯帕羅夫。而如今，“深藍(lán)”所擁有的運算能力在一部智能手機中就能實現(xiàn)，例如，iPhone 4S 所采用的A5處理器的運算能力就能達(dá)到16 GFLOPS。2011年，IBM 的沃森（Watson）超級計算機由10個機架的IBM Power 750 服務(wù)器組成，配備15TB的隨機存取儲存器（RAM）以及2,880個處理器，運算總能力達(dá)到80 TFLOPS，在《危險邊緣》戰(zhàn)勝了兩位最優(yōu)秀的節(jié)目冠軍。你能想象在10年內(nèi)，我們手上的移動設(shè)備就能夠擁有同樣的計算能力嗎？這并不是天方夜譚，不過這一進程嚴(yán)重依賴于在實現(xiàn)摩爾定律的基礎(chǔ)上，人們所進行的晶體管微縮化努力。

微縮化涉及兩大任務(wù)：將晶體管的尺寸做到更小，以減少成本/功能并改善性能與功耗。從以往的歷史來看，人們在每一個新的技術(shù)節(jié)點上都能同時達(dá)到密度與性能目標(biāo)。在工藝向32nm節(jié)點技術(shù)發(fā)展的過程中，在每一代技術(shù)中人們都成功而精確地同時實現(xiàn)了集成電路面積的微縮與晶體管密度的翻倍的目標(biāo)。然而，人們?nèi)匀唤?jīng)常需要在性能、功耗以及密度/面積這些因素之間進行權(quán)衡。工程師們也在開發(fā)彌合代際差別的解決方案方面表現(xiàn)出驚人的創(chuàng)造性。

目前，人們在克服這些技術(shù)極限方面已經(jīng)取得了一些突破性進展。在材料方面，其中一項重大改進是 High-K 材料的引入為柵極絕緣層微縮化所帶來的改善。應(yīng)變的引入能提升載流子的遷移率，抵消柵氧化層和柵長度減少所導(dǎo)致的有限增益。在功率方面，供電電壓降低的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于微縮化理論所需的規(guī)劃值。因此，多核處理器、多閾值電壓（multi-Vt）、復(fù)雜的功耗管理策略便應(yīng)運而生。如今，光刻技術(shù)正日益成為突破技術(shù)限制的羈絆。超紫外線技術(shù)（EUV）和在28nm及以下工藝中采用193nm波長的技術(shù)被推延，催生了浸沒式光刻以及多重光刻技術(shù)，即人們所熟知的雙重圖形曝光技術(shù)（double patterning）?？梢灶A(yù)見的是，在14nm節(jié)點上，三重曝光技術(shù)的采用將在所難免。

正是人們的不斷地創(chuàng)新才讓各種產(chǎn)品遵循著摩爾定律而不斷向前發(fā)展。微縮化技術(shù)的發(fā)展史就是一部創(chuàng)新的歷史，絕不是簡單地重復(fù)。最近在22nm納米技術(shù)上取得重大突破技術(shù)則是英特爾的3D器件架構(gòu)。這充分表明全耗盡晶體管能夠通過在相同面積上集成更多晶體管，從而改善集成電路性能和/或降低功耗，是一種卓越的解決方案。

全耗盡晶體管與傳統(tǒng)的晶體管在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別在于，前者的溝道并不由其摻雜程度(doping level)定義，而是由其物理尺寸（physical dimensions）定義，邊界由氧化物材料構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)在設(shè)計上的獨特性改善了溝道的柵控制，提高了性能并縮短了柵的長度。此外，由于溝道定義不再受限于溝道的摻雜程度，全耗盡技術(shù)提供了另外一種選擇，既采用未摻雜溝道。這樣就能降低變異性，并提升載流子的遷移率。在當(dāng)前的電子科技條件下，溝道摻雜是導(dǎo)致變異性的主要源頭，而提高載流子的遷移率將提高驅(qū)動電流，并提高工作頻率。