跟上节奏才有快感：半导体技术节点漫谈
我们在阅读半导体技术文章时，经常会看到这样一组数字：180nm、130nm、90nm、65nm、45nm等。这些数字表示半导体工艺的“技术节点(technology node)”，也称作“工艺节点”。
那么，技术节点所表示的意义是什么？是什么因素导致了技术节点的形成呢？
一、技术节点是半导体产业链条上的关节
1958年，美国德州仪器公司的工程师杰克·基尔比制成了世界上第一片集成电路，1962年，德州仪器公司建成世界上第一条商业化集成电路生产线。此后，在市场需求的驱动下，集成电路发展成为一个庞大的产业，从小规模集成电路到中规模集成电路、再到大规模集成电路，一直到现在的超大规模集成电路。集成度是描述集成电路工艺先进程度的一个重要指标，通常用晶体管数目来表示集成度高低，一个芯片里含有的晶体管数目越多，芯片的功能也就越强。因此，集成电路的规模反映了集成电路的先进程度。
集成度的提高，不仅意味着单个晶体管的尺寸缩小了，同时也意味着采用了更加先进的制作工艺，因为晶体管尺寸与制作工艺之间有着密切的联系。可以说，集成电路技术的发展过程，就是把晶体管尺寸做得越来越小的过程，而更小的尺寸对设计和制造设备以及芯片材料等都提出了更为苛刻的要求。为了克服技术障碍，芯片企业每年都投入数十亿美元的研发经费，世界一流的科学家和工程师都参与了耗资巨大芯片的微缩化工程。
半导体业界通常使用“半节距”、“物理栅长（晶体管栅极的长度）”和“结深”等参数来描述芯片的集成度，这些参数越小，芯片的集成度越高。例如，2004年投入应用的90nm工艺，其中半节距为90nm，而晶体管的物理栅长为37nm，见表1。
表1 近年来微处理器工艺的发展
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进入生产时间（年） |
2001 |
2002 |
2003 |
2004 |
2005 |
2006 |
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半节距（技术节点） |
150 |
130 |
107 |
90 |
80 |
65 |
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物理栅长 |
65 |
53 |
45 |
37 |
32 |
28 |
半导体产业是由芯片制造商、设备供应商、材料供应商和软件供应商等构成的产业链，四者之间只有达到很好的配合程度，最终芯片产品才有希望达到期望的性能和成品率。任何一项新的工艺在走向成熟之前，都要分别从芯片设计、工艺设备和新型材料这三个主要环节进行大量研究，并使它们之间协调一致。
首先，更小的尺寸迫使设计师更深入地理解工艺的能力，因为设计出不能生产的器件是毫无意义的，通过采用新的架构（如增加流水线长度、采用双核心等、冗余结构、睡眠机制等）使形成更为有效的晶体管组织结构，达到提高指令执行速度、提高可靠性以及减少能耗的目的。
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小知识：半节距 |
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半节距（half-pitch），是指芯片内部互联线间距离的一半，也即光刻间距的一半，如图1。由于历年来每一个新的技术节点总是用于制造DRAM芯片，因此最新的技术节点往往是指DRAM的半节距。另外，在技术文章中还有两种与“半节距”意义相近的表达方式，就是“线宽”和“特征尺寸”，它们不过是对同一个数据的不同表达。
图1 节距的定义
毋庸置疑，半节距越小，集成度越高。芯片内部互联的半节距受光刻机分辨率的制约，光刻工艺有湿法光刻和干法光刻两种，其中干法光刻的控制精度更好、大面积刻蚀均匀性好。无论采用何种光刻技术方式，光源的聚焦性能越好，分辨率越高，能够刻出的沟槽越窄。在250nm工艺及其以前的光刻工艺中采用汞灯作为光源，为了提高光刻的分辨率，从180nm开始采用波长为248nm的KrF激光作为曝光光源，130nm和90nm工艺中采用波长为193nm的ArF激光光源，从65nm工艺开始将使用波长更短的激光光源。 |
其次，制造设备（主要是指光刻机）与制作工艺之间的关系是个鸡与蛋的关系，光刻机中使用的激光波长越短，光路的干涉和衍射现象就越不明显，晶体管就可以达到更小的线宽。如果设备制造不了解芯片制造商的需求，就不能提前制造出价格可以接受的的机器。
再者，在芯片材料方面也需要适当的材料来改进芯片性能。如果芯片厂商对需求没有足够的了解，就不能及时提供需要的材料。
从上面的分析可以看出，芯片制造业形成了一个环环相扣的产业链条，充分体现了现代化大生产分工与合作的鲜明特点。在半导体产业链中，任何一个企业无法撇开其他上下游厂商而独自确立研发方向，无法独立决定产业的未来走向。即便像Intel这样的芯片业航母必须与材料供应商以及整机制造厂商保持密切的合作伙伴关系，而且只能跟着芯片发展的步调向前行进，而不可能像软件巨人Microsoft那样自成一体而特立独行。
半导体行业中既然大家谁也离不开谁，就需要有一个机构进行协调，路线图协作组（Roadmap Coordinating Group，RCG）就是在这种背景下诞生的。RCG成立于1992年，位于美国的旧金山，负责召集业界专家进行研讨，并将讨论结果编撰成指导性文件，也就是被业界广泛采用“国际半导体技术发展路线图（The International Technology Roadmap for Semiconductors，简称ITRS）”。RCG中的数百名研究人员和技术专家来自美国、欧洲、日本、韩国和中国台湾这些半导体主要制造基地，这些专家被分成焦点工作组和交叉工作组两个大类，焦点工作组包括设计、测试、工艺集成、前端工艺、光刻、互联、工厂集成、封装和装配等技术工作组，交叉工作组包括环境、安全保健、成品率提高、计量、建模和模拟等技术工作组。
RCG制定的ITRS是一个指导性文件，反映了芯片制造业的大致趋势，为EDA供应商、材料供应商、工艺设备制造商和芯片制造商等筛选出一个比较完备的候选方案，为制定研发计划确定了清晰的目标。
半导体技术发展过程是跳跃式周期性而非连续性过程，在ITRS二维坐标系中，横坐标为时间轴，表示半导体发展周期中的典型年份，纵坐标为各发展周期中的所采用半导体工艺，称之为“技术节点（technology node）”，如图2。
图2 技术节点历史及发展趋势预测
二、 技术节点是一组人为的数据
1965年，高登·摩尔总结几年来集成电路发展规律，发现每隔18个月，集成电路的集成度提高一倍，而价格则基本维持不变，这就是后来广为流传的摩尔定律。1975年，摩尔又修正了摩尔定律，将晶体管的数量将翻番的时间延长到24个月。
半导体工艺的进步向来是跳跃式的发展过程，而非渐进的过程。为了描述未来芯片的发展细节，IRTS引入了技术节点的概念，并将之定义为“在工艺中实现重大进步”，或者说“每节点实现大约0.7倍的缩小”或“每两个节点实现0.5倍的缩小”。根据这一定义，下一代技术节点的半节距可用此前的节点数据推算出来：
如同摩尔定律不是严格的科学定律一样，对于技术节点的预测也不存在可以精密计算的科学公式，IRTS给出的技术节点半节距以及缩小系数只是一个根据历史经验所推算出的数据。如果说原先工艺尺寸大小具有随意性，那么有了IRTS以后，下一代工艺的尺寸就基本上按照IRTS所预测的数据有计划地向前推进了。
不过，ITRS对未来技术节点的预测，也只是大家在一起商讨（图3）的结果。既然技术节点只是一组人为数据，那么各厂家拿出的产品实际尺寸只会尽量逼近ITRS给出的节点数值，在进行工厂集成时也往往根据各种条件的不同而对工艺参数进行调整，实际产品未必与某技术节点的数据保持严格一致。
图3 RCG负责商讨制定ITRS
如果把整个半导体行业的发展视为一支行进的队伍，虽然整体看起来队列整齐，但就每一个体来说，还是有些军容不整。前面已经谈到，芯片工艺的选择主要受光刻机分辨率的制约，芯片工厂配备了什么样的光刻机，必然要采用相应的工艺。但是，芯片厂商也可能为了实现制造工艺的平稳过渡，开始时生产“半节点”产品（例如，在从
90nm工艺转入65nm的过程中，可能出现78nm的半节点产品或70nm的“准65nm”产品）产品，等到技术成熟以后再真正进入新的技术节点。所以，除了130nm、90nm、65nm等节点的工艺技术，市场上出现120nm、110nm、80nm、70nm等不符合0.7倍的半节距的非标产品也是不足为奇的。
三、技术节点的周期与“红色壁垒”
跟上节奏,才有快感。半导体技术的进步像110米栏比赛，不断地跨越一个又一个障碍，而每一次跨越又都更加接近终点，精彩过后，还有挑战和无奈。
在半导体技术发展路线图的时间轴上，每两个相邻节点之间的时间跨度大约为2～3年，这是技术和市场等综合因素决定的。但是，技术研发中常常会遇到未知的不确定因素，市场对新技术的需求也在不断变化，所以技术节点的跨越时间也会发生变化，大部分技术节点的过渡期是2年，由于技术不成熟而拖延了工程进度的情况也经常出现，而出现技术节点的过渡期推迟到3年的情况。
半导体制作工艺从一个节点过渡到另一个节点不断遭遇技术瓶颈，其中只有少部分技术或材料可以移植到下一代节点中，大部分技术或材料需要开辟未知的领域。也就是说，下一个节点的解决方案对技术人员来说都是一个考验，只有通过一系列前瞻性研究，才能获得有关新材料或工艺的经验，以便能够转移到下一个节点。
依照ITRS的预测，包括DRAM的半间距、MPU栅长、金属层间介电质k、结深等方面的挑战，将会在2005-2007年间遇到“红色壁垒（Red Wall）”，能否顺利突破这些障碍将对半导体工艺技术与后续的研发方向的确立产生深远影响。
● 光刻分辨率
影响半节距的主要因素是前段工艺中的光刻技术，如图4。光刻技术能否在生产中取得应用，不仅取决于技术成熟程度，还取决于设备的价格和生产效率等因素。光刻技术包括曝光机、掩模、光刻胶等一系列技术，其中光刻机是决定芯片线宽尺寸的关键设备，一台光刻机的价格约2000万美元左右，技术复杂性以及研发的难度可想而知。
图4 光刻工艺示意图
为了提高分辨率，光学曝光机的波长不断缩小，从436nm、365nm的近紫外（NUV）激光进入到246nm、193nm的深紫外（DUV）激光。针对光刻分辨率不断提高的要求，业界提出了下一代曝光技术（NGL）用于100nm之后光学光刻的候选方案，如极紫外、X射线、电子束和离子束光刻等，这些方案一直处于候选者的地位，并形成竞争态势。但由于光学曝光技术仍在不断突破，使得光学光刻技术的寿命一再延长。譬如90nm工艺中使用的193纳米波长的曝光设备，只要利用Intel研发的“交互相移掩模”技术进行适当改进，即可继续用于65nm工艺的芯片制造中。因此，光学曝光技术在今后几年内仍将在曝光技术中占据主导地位。
表2 已经、正在和即将投入应用的曝光光源
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汞灯光源 |
准分子激光光源 |
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KrF |
ArF |
F2 |
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波长（nm） |
365 |
246 |
193 |
157 |
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分辨率（μm） |
0.4 |
0.2 |
0.15 |
0.12 |
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应用的工艺 |
0.5μm、0.25μm |
0.25μm、0.18μm、0.13μm |
0.13μm 、90nm、65nm |
65nm节点、45nm节点 |
随着激光波长的缩减以及聚焦能力的提高，掩模对能量的吸收也相应增加而可能遭到破坏，因此掩模的制作难度将与日俱增。当依靠增加掩模厚度的措施无能为力时，最终需要改用金刚石制作掩模。
● 工艺材料
从90nm工艺开始，半导体科技已经进入纳米科技时代，漏电流和发热以及因电子漂移而使芯片失效，这些问题随着频率的提高凸现并且渐成危机，如果不能很好地解决，那么频率提升的趋势就无法继续下去。面临成长停滞的窘境，2005年Intel与AMD不约而同地走了多核心路线。
按照ITRS的预测，到2015年前后，晶体管的栅长将只有９纳米，如果没有新材料的加入，再好的设计也无法投入量产。要在功耗不增加的前提下继续提高频率，寻找低k值（k≤2.9）层间隔离材料的工作显得尤为重要。低 k 材料能够在提高驱动电流的同时，降低器件互连层内的电容并缩短传播延迟时间，提高芯片的总体工作频率及性能。
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小知识：什么是纳米科技？ |
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纳米（nano-meter，nm）是一个长度单位，1nm为10的负6次方米，原子的尺寸为10的负10次方米。所谓纳米科技，就是缩小尺度至100纳米以內的操控原子或分子的科技，有人将之称为“造物者的科技”。人类进入纳米科技的最初动力，就是来自研发微型电子元器件的需要。
纳米科技是研究范围在1纳米至100纳米尺度范围内物质构造的科技，与传统研究领域有很大的不同。在纳米尺度时，物质不再具有规则周期性的结构特征，量子效应主导了物性行为；纳米结构的几何形状、表面积的大小及相互间的作用，这些结构上的变化对材料的性质之间有密切关系，使各种不同的纳米结构展现出明显、甚至迥然不同的物理、化学特性及现象。因此，在研发纳米科技过程中，量子物理是相当重要的一环，量子物理研究包括电子的干涉作用、隧道效应、物质波能量的量子化，以及自旋电子学等。 |
为了不使芯片功耗随晶体管数量的增加而增加，除了消除漏电流外，还要减少每只管子的驱动电流。晶体管门材料对降低驱动电流、提高芯片工作频率至关重要，硅化镍、HfSiON等高k门电介质材料可以降低门电阻，提高晶体管开关速度，而应变硅工艺则使晶体管通道上产生应变，从而提高电子迁移率。
上述新材料的引入维系了半导体工艺继续发展的势头，但是业界普遍认为硅半导体工艺正在接近它的理论极限。有远见的企业和研究机构已经开始研制单电子晶体管、碳纳米管、硅纳米线晶体管、分子开关、相变材料和自旋电子材料等替代方案。如果替代晶体管的材料永远找不到，摩尔定律便会失效。当然，我们应该相信，替代方案是一定能够找到的。
● 制造成本
半导体工业一直沿着性能提高而价格降低的路线发展，因为只有价格低廉的技术才能拥有市场。摩尔定律中提到，减少成本是集成电路最大的吸引力之一，并且随着技术发展，集成化程度越高，低成本的优点更为明显。多年以来，芯片的价格确实没有随内部晶体管数量的翻番而出现本质性的改变，这就意味着每个晶体管的价格呈下降趋势。如今只值几元钱的生日音乐卡，却比几十年前最快的主机运算速率高很多。但是，随着晶体管数量的增加，设计和制造的技术复杂性激增，设计和制作工艺难度不断增加，良品率下降。特别是进入纳米时代以后，出现了很多原先没有的障碍，而克服这些障碍会使制造成本不断增加。
另外，制造芯片的机器随技术复杂性的增加而越来越昂贵。现在建设一个新的芯片工厂耗资15～30亿美元，其中设备投资占了3／4，因改变工艺而更新设备要付出昂贵的代价。所以，技术节点的改变意味着需要付出巨大的代价，一个技术上可行的制造方案，最终会因成本过高而失去意义。衡量摩尔定律的Rock规则认为，芯片工厂的组装成本每四年会翻番。华尔街的分析师、未来学家甚至芯片企业的官员都表示，高昂的制造成本将终结或者减弱摩尔定律的使用。
四、结语
加利福尼亚技术学院的教授Carver Mead将摩尔的预见性理论概括为摩尔定律，这一事件至今已过去整整40年。当时摩尔本人将其视为是一种崇高的荣誉，但是后来常常为自己的判断何时失效而感到忐忑不安，因为近年来晶体管尺寸越来越小，芯片制作难度逐渐增加，越来越多的人对芯片工艺的未来前途心生忧虑。
人们的忧虑不是没有道理的。尽管依靠庞大的人才和资金支持，不断有新材料、新工艺和新结构出现，使得半导体工艺度过了许多看似不可逾越的难关，但是，物有本末，事有终始，半导体工艺终究会遇到难以跨越的障碍，到了那个时候，新的技术节点就再也不会出现了。
作者：安徽财经大学 陈忠民
原载：《个人电脑》2005年第10期
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