近年来,芯片制造工艺的进步速度逐渐放缓,适用了20余年的摩尔定律在新时代下也有逐渐失灵的迹象,从芯片的制造来看,7nm就是硅材料芯片的物理极限。不过据外媒报道,美国劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限,采用碳纳米管复合材料将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm。

那么,XX nm制造工艺是什么意思,为何说7nm就是硅材料芯片的物理极限,碳纳米管复合材料又是怎么一回事呢?

XX nm制造工艺是什么意思

芯片的制造工艺常常用90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm来表示,比如Intel最新的六代酷睿系列CPU就采用Intel自家的14nm制造工艺。现在的CPU内集成了以亿为单位的晶体管,这种晶体管由源极、漏极和位于他们之间的栅极所组成,电流从源极流入漏极,栅极则起到控制电流通断的作用。

而所谓的XX nm其实指的是CPU的上形成的互补氧化物金属半导体场效应晶体管栅极的宽度,也被称为栅长。栅长越短,则可以在相同尺寸的硅片上集成更多的晶体管——Intel曾经宣称将栅长从130nm减小到90nm时,晶体管所占得面积将减小一半;在芯片晶体管集成度相当的情况下,使用更先进的制造工艺,芯片的面积和功耗就越小,成本也越低。

之前说了要想在面积有限的硅片上集成更多的晶体管,就要想法设法降低栅长,那么栅长又是由哪些因素决定的呢?还是先从芯片是如何被制造出来的说起。

CPU制造流程

要制造CPU,第一步是制造晶圆(将晶圆切成小片后即可得到晶片),对于晶圆制造笔者在《铁流:台积电申请赴大陆设厂意欲何为》一文中已有介绍,本文不再复述。在得到晶圆后,要制造CPU,还要进行以下步骤:

一是湿洗。用各种化学药剂清洗晶圆,确保晶圆表面没有杂质。

二是光刻。使用光刻机将激光光束穿透画着线路图的掩膜,经物镜补偿各种光学误差,将电路图成比例缩小后映射到硅片上,然后使用化学方法显影,得到刻在硅晶片上的电路图。

美国将晶体管制程缩减到1nm 中国还能赶上吗-青年力

光刻示意图。最上方的是掩膜,中间的是物镜,用来补偿各种光学误差,最后将电路图成比例缩小后映射到硅片上。

三是离子注入。在硅晶片不同的位置嵌入不同的物质,进而形成晶体管。

四是蚀刻。使用刻蚀机将晶片上多余的部分去掉,得到所想要的结构。

五是等离子冲洗。用较弱的等离子束轰击整个芯片,达到清洁的效果。

六是热处理。瞬间把晶圆加热到1200摄氏度以上,然后慢慢地冷却下来,使得注入的离子能更好地被启动以及热氧化,并在晶片中形成场效应管的栅极。

七是气相淀积。通过物理、化学气相淀积设备进一步精细处理晶片表面,并给晶片镀膜。

八是电镀、化学、机械表面处理。

在完成上述光刻、刻蚀等步骤后,还需要完成封装和测试工作。用后道光刻机等制造设备给晶片装个壳,将之前加工好的晶片和基片、散热片堆叠在一起,最终形成我们日常见到的四四方方、带针脚和商标的CPU。

测试可以鉴别出每一颗处理器的关键特性,比如最高频率、功耗、发热量等,并决定处理器的等级,比如将一堆芯片分门别类为:i5 4460、i5 4590、i5 4690、i5 4690K等,之后英特尔就可以根据不同的等级,开出不同的售价。如果芯片产量足够大的话,测试成本在CPU总成本的占比可以忽略不计。

回到栅长这个话题,栅长可以分为光刻栅长和实际栅长,光刻栅长则是由光刻技术所决定的。由于在光刻中光存在衍射现象以及芯片制造中还要经历离子注入、蚀刻、等离子冲洗、热处理等步骤,因此会导致光刻栅长和实际栅长不一致的情况。另外,同样的制程工艺下,实际栅长也会不一样,比如虽然三星也推出了14nm制程工艺的芯片,但其芯片的实际栅长和Intel的14nm制程芯片的实际栅长依然有一定差距。

劳伦斯伯克利国家实验室突破7nm物理极限是怎么回事

之前解释了缩短晶体管栅极的长度可以使CPU集成更多的晶体管或者有效减少晶体管的面积和功耗,并削减CPU的硅片成本。正是因此,CPU生产厂商不遗余力地减小晶体管栅极宽度,以提高在单位面积上所集成的晶体管数量。不过这种做法也会使电子移动的距离缩短,容易导致晶体管内部电子自发通过晶体管通道的硅底板进行的从负极流向正极的运动,也就是漏电。而且随着芯片中晶体管数量增加,原本仅数个原子层厚的二氧化硅绝缘层会变得更薄进而导致泄漏更多电子,随后泄漏的电流又增加了芯片额外的功耗。

为了解决漏电问题,Intel、IBM等公司可谓八仙过海,各显神通。比如Intel在其制造工艺中融合了高介电薄膜和金属门集成电路以解决漏电问题;IBM开发出SOI技术——在在源极和漏极埋下一层强电介质膜来解决漏电问题;此外,还有鳍式场效电晶体技术——借由增加绝缘层的表面积来增加电容值,降低漏电流以达到防止发生电子跃迁的目的……

上述做法在栅长大于7nm的时候一定程度上能有效解决漏电问题。不过,在采用现有芯片材料的基础上,晶体管栅长一旦低于7nm,晶体管中的电子就很容易产生隧穿效应,为芯片的制造带来巨大的挑战。针对这一问题,寻找新的材料来替代硅制作7nm以下的晶体管则是一个有效的解决之法。

碳纳米管和近年来非常火爆的石墨烯有一定联系,零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯都属于碳纳米材料家族,并且彼此之间满足一定条件后可以在形式上转化。碳纳米管是一种具有特殊结构的一维材料,它的径向尺寸可达到纳米级,轴向尺寸为微米级,管的两端一般都封口,因此它有很大的强度,同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。

碳纳米管和石墨烯在电学和力学等方面有着相似的性质,有较好的导电性、力学性能和导热性,这使碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面有着良好的应用前景。此外,掺杂一些改性剂的碳纳米管复合材料也受到人们的广泛关注,例如在石墨烯/碳纳米管复合电极上添加CdTe量子点制作光电开关、掺杂金属颗粒制作场致发射装置。本次外媒报道的劳伦斯伯克利国家实验室将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm,其晶体管就是由碳纳米管掺杂二硫化钼制作而成。不过这一技术成果仅仅处于实验室技术突破的阶段,目前还没有商业化量产的能力。至于该项技术将来是否会成为主流商用技术,还有待时间检验。

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制造工艺进步放缓背后的商业因素

在过去几十年中,由于摩尔定律在确实发挥作用,使中国半导体制造技术在追赶西方的过程中始终被国外拉出一段距离。而近年来,芯片制造技术进步放慢,摩尔定律出现失效的客观现象,对于中国半导体产业追赶西方来说是一大利好。摩尔定律失效,一方面既有技术因素——先进光刻机、刻蚀机等设备以及先进芯片制造技术研发技术难度大、资金要求高……另一方面也有商业上的因素。

在制造工艺到达28nm以前,制造工艺的每一次进步都能使芯片制造厂商获得巨额利润。举例来说,假设CPU-X采用40nm制程,芯片面积200平方毫米;CPU-Y采用28nm制程,芯片面积140平方毫米(制程越小,晶片面积越小)。

一片12寸晶圆价格大约为4000美元,面积约为7万平方毫米。经计算可以得出,一片12寸晶圆可以切割出299个CPU-X或495个CPU-Y(40/28nm技术已经非常成熟,切割成本差异非常小,就忽略不计了)。

由于在将晶圆加工、切割成晶片的时候,并不能保证100%成果,因而存在一个成品率的问题,以49%的成品率计算,一片12寸晶圆可以切出146个符合良品标准CPU-X或242个CPU-Y,最后12寸晶圆的价格/切割出的成品晶片,可以得出结论:

采用40nm制程的CPU-X的晶片成本为27.3美元;

采用28nm制程的CPU-Y的晶片成本为16.5美元。

可以看出,采用更先进的制程,能够有效降低晶片成本。

其次看掩膜成本,掩膜成本就是晶片加工成本以及光刻机、刻蚀机、物理、化学气相沉积设备的折旧成本等等。掩膜成本的高低和制程工艺的关系非常大,像40/28nm的工艺已经非常成熟,成本也低,40nm低功耗工艺的掩膜成本为200余万美元;28nm SOI工艺为400万多美元;28nm HKMG成本为600多万美元。

由于40nm低功耗工艺的掩膜成本约为200万多美元,如果CPU-X的产量为100万片,则分摊到每一片CPU上的成本为2美元。28nm HKMG掩膜成本为600多万美元,如果CPU-Y的产量为100万片,则分摊到每一片CPU上的成本为6美元。

由此可见,在芯片产量均为100万片的情况下,采用40nm制程CPU-X的晶片成本+掩膜成本为29.3美元,而采用28nm制程的CPU-Y的晶片成本+掩膜成本为22.5元,技术的进步有效降低了芯片的成本,可以为企业带来更丰厚的利润。

不过,在制造工艺达到14/16nm之后,技术的进步反而会使芯片的成本有所上升——在Intel最先研发出14nm制造工艺时,曾有消息称其掩膜成本为3亿美元。当然,随着时间的推移和台积电、三星掌握14/16nm制程,现在的价格应该不会这么贵。但英特尔正在研发的10nm制程,根据Intel官方估算,掩膜成本至少需要10亿美元。新制造工艺之所以贵,一方面是贵在新工艺高昂的研发成本和偏低的成品率,另一方面也是因为光刻机、刻蚀机等设备的价格异常昂贵。因此,即便先进制造工艺在技术上成熟了,但由于过于高昂的掩膜成本,会使客户在选择采用最先进制造工艺时三思而后行,举例来说,如果10nm制造工艺芯片的产量低于1000万片,那么光分摊到每一片芯片上的掩膜成本就高达100美元,按国际通用的低盈利芯片设计公司的定价策略8:20定价法——也就是硬件成本为8的情况下,定价为20,别觉得这个定价高,其实已经很低了,Intel一般定价策略为8:35,AMD历史上曾达到过8:50……即便不算晶片成本和封测成本,这款10nm CPU的售价也不会低于250美元。同时,相对较少的客户会导致很难用巨大的产量分摊成本,并最终使企业放缓对先进制造工艺的开发和商业应用。也正是因此,28nm制造工艺被部分业内人士认为是非常有活力的,而且依旧会被持续使用数年。

结语

对于劳伦斯伯克利国家实验室将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm,国人不必将其看得太重,因为这仅仅是一项在实验室中的技术突破,哪怕退一步说,该项技术已经成熟且可以商业化,由于其在商业化上的难度远远大于Intel正在研发的10nm制造工艺——其成本将高昂的无以复加,这会使采用该技术生产的芯片价格居高不下,这又会导致较少客户选择该项技术,进而恶性循环……从商业因素考虑,大部分IC设计公司恐怕依旧会选择相对成熟,或者称为相对“老旧”的制造工艺。

对于现在的中国半导体产业而言,与其花费巨大人力物力财力去探索突破7nm物理极限,还不如将有限的人力物力财力用于完善28nm制程工艺的IP库和实现14nm制造工艺的商业化量产。毕竟,对于国防安全领域而言,现有的制造工艺已完全够用(美国的很多军用芯片都还是65nm的),对于商业芯片而言,很多芯片对制程的要求并不高,像工控芯片、汽车电子、射频等都在使用在一些硬件发烧友看起来显得老旧的制程,而对于PC和手机、平板电脑的CPU、GPU而言,14nm/16nm的制造工艺已经能将性能和功耗方面的需求平衡的很好。笔者认为,相对于耗费大量资源去研发新材料突破7nm物理极限,还不如脚踏实地的解决现实问题。

(作者微信公众号:tieliu1988)