半導體魔法：從沙子到晶片

32納米處理器已出現在主流市場，這應該歸功於Intel。

在過去的三十多年裡，Intel始終在半導體工藝方面保持領先地位，並精確地沿著摩爾定律前行。

那麼，半導體工藝是如何實現從沙子到晶片的魔法呢？

在某種意義上說，半導體製造工藝決定了IT業界的走向，它是我們所知一切計算設備最基礎的元素，倘若沒有半導體工藝的出現，就不會有像樣的計算機，當然就更別指望網際網路了。

同樣，半導體工藝也決定著晶片的計算性能：今天的晶片設計師可以毫無困難地設計出包含100億個電晶體的CPU或GPU晶片，但現在的半導體工藝還無法承擔這個任務，即便是剛登場的32納米工藝，理論上它也是最多可製造出50億電晶體的晶片，當然現在還沒有集成度這麼高的。

出於對提升競爭力的渴求，晶片廠商總是對半導體工藝孜孜以求，新工藝可以帶來更小的線寬，這就意味著晶片可以具有更低的發熱量、更高的工作頻率、更小的晶片尺寸、更高的集成度以及更低的製造成本，我們可以看到，在架構升級的同時，半導體廠商總是在製造工藝領域進行激烈競爭，譬如CPU領域的Intel與AMD，GPU領域的NVIDIA與AMD，均是如此。

Intel擁有世界上最強大的半導體工廠和相應的研發能力，在很大程度上說，製造技術也是它一直能在CPU市場居於壟斷地位的關鍵。

AMD在拆分半導體業務後成為無工廠半導體企業，產品製造依賴代工，同樣採取這種模式的還有NVIDIA。

而在晶片製造領域，台灣的TSMC實力最強，新生的GlobalFoundries囊括原AMD的半導體工廠和新加坡特許半導體，實力也不容小視，不過這些廠商都聚攏在IBM周圍，以聯盟的形式共同承擔高成本的技術研發。

伴隨著Core i7/i5/i3的到來，Intel的半導體工藝正式進入到32納米時代，TSMC、IBM、GlobalFoundries陣營則直接從45納米向28納米發起衝擊，Intel的下一個目標直接鎖定22納米，與此對應，我們將會看到動輒包括幾十億電晶體的計算晶片尋常可見，而在32納米工藝下，一個電晶體的大小隻相當於一個感冒病毒。

半導體工藝的發明與摩爾定律

我們都熟知，半導體晶片所用的製造材料都是二氧化矽，而二氧化矽的來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晶片划上等號，但事實就是如此。

現代半導體製造技術可以追溯到1959年，當時的仙童公司和德州儀器同時發明了集成電路：通過一種特殊的平面處理技術讓矽電晶體大批量集中在同一塊晶片上，而不是像從前那樣只能一個個電晶體地生產組裝，這也就是我們今天所說的半導體製造技術。

這項技術使計算產業產生了深刻的改變，帶動了計算機的運算性能和存儲容量快速提升，為後來的發展奠定了基礎。

1964年，作為仙童公司創始人之一的摩爾博士在作統計圖表時發現一個奇特的規律：集成電路中的電晶體數目，每隔18個月都會往上翻一番。

摩爾預言這種趨勢在未來將一直持續，這也就是著名的「摩爾定律」。

1968年，摩爾與諾依斯、葛羅夫一道離開了仙童公司，創辦Intel公司，在Intel進軍X86處理器領域後，摩爾定律被Intel奉為企業發展的靈魂，並嚴格按照這個規律對半導體技術進行升級。

同樣，秉承仙童血統的Intel一直都將半導體製造視為業務核心，奠定了它在晶片領域牢不可破的優勢。

原理：從沙子到晶片的過程

以今天的目光來看，仙童時代的集成電路是非常簡陋的，它只能在一枚晶片內容納幾百個電晶體，而今天的32納米工藝將這個數量推高到幾十億。

儘管數字如此懸殊，但它們的原理、設備與生產流程並沒有本質性的不同。

製造晶圓是生產晶片的第一步，晶圓的成分就是純度達99.99%以上的矽晶體，它的原始材料就是二氧化矽，經過提純、拉晶等多道複雜的工序後成為超高純度的晶圓棒，之後晶圓棒再被切割為一個個均勻的薄片，這些矽薄片就是我們所說的晶圓。

在接下來的工序中，這些矽晶圓會被劃分為一個個矩形的區域，它們與一枚枚晶片相對應，邏輯電路便在這裡生成。

生成邏輯電路的工序與照相非常類似，它們都是將影像顯示在底片上，對半導體生產來說，這個影像就是晶片邏輯的縮微電路圖，具體地說，晶片的邏輯圖會以電路磁帶的方式提交給晶片工廠，工廠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製作在玻璃或石英上，這樣就製造出了「光罩」。

接下來，「光罩」被放置在矽晶圓表面，工程人員則操作光刻機，利用規定波長的紫外線照射矽片。

有「光罩」金屬鉻膜的地方，光線被遮擋，而在沒有金屬鉻膜的地方，紫外線就透過玻璃或石英到達矽片上，形成所需要的圖形，這個過程也被稱為「顯影」。

「顯影」工序只是將晶片的電路圖形顯示在矽片上，接下來要進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步驟，蝕刻的任務是將矽片上不需要的部分去掉，形成容納導線的凹槽，目前主流技術是採用電子束垂直轟擊的方式進行。

蝕刻工作完成後，就產生了線路凹槽，電路圖樣被固化在矽片中，下一步工作就是進行離子植入和金屬濺鍍，構建出半導體組件和連接的線路。

這樣，晶片的關鍵製造工作就完成了。

不過我們還需要將它封裝起來。

封裝有兩個作用，一是用堅硬的外殼來保護晶片；二就是建立信號引腳，使得晶片能夠與主板通訊。

障礙：漏電流令摩爾定律一度停滯

從1956年一直到2003年，摩爾定律的運行沒有遭遇任何強有力的挑戰，半導體工業很精確地按照這個規律前進。

但從2004年的90納米工藝開始，摩爾定律就遇到麻煩，此時電晶體的一個關鍵部件即將達到極限，這個部件就是位於柵極、源極和漏極電子流通道之間的二氧化矽絕緣層。

在採用90納米工藝時，這個絕緣層的厚度僅有1.2納米，相當於5個原子的厚度。

如此之薄的絕緣層讓漏電流變得越來越嚴重，並成為一種災難。

此時為了保證信號的穩定性，製造商不得不通過提高門電壓或增大驅動電流的方式加以補償，而這就意味著發熱量激增，晶片的穩定性也變差。

顯而易見，漏電流問題如果不得到妥善的解決，那麼摩爾定律將不再有效，半導體工藝也會因此陷入停滯。

儘管加厚絕緣層可以緩解漏電流，但它會令晶片尺寸增大，幾乎抵消了新工藝帶來的好處。

既然此路不通，而二氧化矽材料也達到了極限，那麼採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，避免漏電流的發生。

Intel的工程人員成功地研發出可滿足要求的高K材料，這種材料加入了鉿基成分，同時為了解決工藝兼容問題，Intel還引入一種新的金屬柵極。

最終，新的電晶體技術使源極－漏極的漏電流降低5倍以上，柵極漏電流減少了10多倍，這相當於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，這項技術被Intel成功地應用於45納米工藝中，新到來的32納米工藝同樣受益於此。

如你所見，新一代晶片都具有優良的能耗特性，漏電流不再成為困擾。

在Intel之後，IBM與日本的一些半導體企業也先後披露了類似的成果，IBM同樣將在新一代工藝中採用這項技術。

封裝：晶片的保護與電氣性能

半導體晶片都採用多層結構，不同的邏輯電路層再通過專門的線路連接在一起，早期半導體工業採用鋁互聯，大約在2000年前後改用電阻率更低的金屬銅，目前Intel的處理器廣泛採用9層銅互連結構。

儘管銅互連技術能夠一直滿足到15納米階段的需要，但業界均認為光互連將成為銅互連技術的天然替代者。

封裝是晶片生產中的最後一個製造工序，封裝本身並不影響晶片的性能，但它依然十分重要，不僅起著安放、固定、密封、保持晶片和增強電熱性能的作用，也對晶片的工作穩定性、安全性有著很大的影響。

首先，晶片的信號接觸點必須用導線連接到封裝外殼的引腳或觸點上，這些引腳或觸點又通過PCB板上的導線與其他器件建立連接，從而實現內部晶片與外部電路的連接。

對於高頻率的晶片來說，封裝技術會影響到它們工作的穩定性。

晶片面積與封裝面積的比值，是封裝時主要考慮的因素。

為提高封裝的效率，二者要儘量接近1:1，同時引腳要儘量短以減少延遲，引腳間的距離則要求儘量遠，以保證互不干擾、提高性能。

基於散熱的要求，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，半導體廠商則會根據晶片的實際情況選擇不同的封裝方式。

Intel從Prescott時代引入的LGA封裝曾備受爭議，這種封裝以信號觸點代替傳統的針腳，以提高信號質量、滿足高頻運作的要求。

AMD的高端桌面和伺服器晶片現在也都採用類似的技術。

不過移動型計算晶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，桌面晶片總是比移動型晶片大得多，晶片表面也覆蓋著具有保護作用的金屬蓋；移動晶片尺寸則小，同時也沒有金屬保護蓋，原因在於桌面晶片經常拆換，必須有嚴密的保護；而移動晶片都是在筆記本電腦的內部，除非專業維修人員，其他人是不會輕易去動它們的。

未來：28納米到光晶片

Intel Core i5和i3充分展現了32納米的風采。

作為主流定位的處理器，這兩款產品都展現出了一流的性能，同時功耗和晶片尺寸控制得非常好，並在封裝內集成了一枚GPU晶片。

這兩個系列的到來，也意味著Intel處理器將開始全部轉入32納米體系，這個過渡階段將在2010年內宣告完成。

與Intel相比，作為競爭對手的AMD剝離了半導體業務而輕裝上陣，但這也意味著AMD默認了在工藝上落後的事實。

現在，AMD剛剛完成45納米工藝的過渡，在未來一年它仍然是主角。

不過到明年底，TSMC和GlobalFoundries就能夠實現28納米工藝的生產，屆時AMD GPU與CPU都將開始直接跳到28納米階段，雖然此時45納米產品還是市場主力，但這已經能夠對Intel的32納米工藝產品形成制衡。

這種錯位發展的策略非常英明，不過它並非AMD的傑作，而是IBM晶片技術聯盟的共識，幾乎除Intel外的所有半導體廠商都聚攏在IBM周圍，對未來的半導體工藝進行合作研發，以此實現分攤高昂研發成本。

按照Intel的路線圖，32納米工藝將一直活躍到2011年，之後更先進的22納米技術便登台亮相，再往後的兩年，便達到15納米階段，此時，半導體工藝也將迎來自己的極限，也許Intel還可以通過新技術延長它的壽命，但潛力已經越來越小。

業界普遍認為，矽光技術將取代傳統半導體晶片成為新的王者，以光信號為介質的計算晶片離我們越來越近。

顯然，在未來的光晶片時代，或許將有新的法則來取代摩爾定律。

在半導體工藝前進的同時，IC設計的思想也在不斷地發生變化，從最早的頻率至上，到現在已成標準的多核心設計，業界一致認為，擁有大量專用加速單元的多核心設計將成為未來，而CPU與GPU的結合趨勢也初步顯現。

我們相信，在未來的十年，半導體工業將進入一個全新的階段。

加入微信

更多內涵你懂的！

搜索微信公眾號：電子產品世界

或用微信掃描二維碼：

Copyright ©2000-2015 ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD. All rights reserved.