芯片晶體管是實(shí)現(xiàn)技術(shù)詳解

1. 當(dāng)前CPU上的晶體管已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是千萬級(jí)別的概念，而是數(shù)個(gè)billion。

2. 目前最先進(jìn)的制程工藝是Intel 剛剛公布的14nm工藝，F(xiàn)in Pitch小于 50nm，可以說是技術(shù)上的一個(gè)飛躍了。關(guān)于所謂的14nm，實(shí)際只能初略的反映工藝的一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，真正的溝道長(zhǎng)度要比14nm要長(zhǎng)一些。

3. 關(guān)于14nm之后的技術(shù)，目前理論預(yù)測(cè)的極限大概在3nm左右。出去開會(huì)的時(shí)候和一些工業(yè)界的大牛們有過一些學(xué)習(xí)，據(jù)說目前10nm已經(jīng)完成了大規(guī)模生產(chǎn)最初階段的論證，而7nm也基本完成了實(shí)驗(yàn)室階段的研發(fā)。感覺5nm，甚至是3nm只是時(shí)間上的問題。

4. 關(guān)于CPU的生產(chǎn)流程，實(shí)際只包含Intel的工藝是不完整的。目前技術(shù)上有兩大陣營(yíng)，一者是Intel為首的Bulk Si FinFET 技術(shù)，一者是IBM為首的 SOI Si 技術(shù)，兩者技術(shù)各有利弊。

5. 關(guān)于那么多晶體管是怎么弄上去的，實(shí)際最本質(zhì)的還是光刻技術(shù) Photolithography,隨著特征尺寸的縮小，光刻的重要性已經(jīng)上升到無法上升的地步了，以至于出現(xiàn)了EUV Extreme ultraviolet lithography 和Multiple patterning Multiple patterning 等諸多逆天的技術(shù)，光這些技術(shù)都可以說上很多文字了。

6. 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)毋庸置疑是近百年最為激動(dòng)人心的領(lǐng)域，正是這無數(shù)的晶體管一代又一代的更新變革才有了近些年幾乎爆炸式的IT 技術(shù)進(jìn)步。

7. 之前很難想象那幾十億個(gè)晶體管能幾乎完全一致并且整齊劃一的工作而不出現(xiàn)任何錯(cuò)誤，這本身就是一件非常amazing的事情，其實(shí)在那小小的CPU背后包含了無數(shù)人幾十年的心血（Intel在美國(guó)的技術(shù)研發(fā)部門有一萬多人，其中有8000多PhD，可想而知其中投入的人力物力之大），于是這個(gè)問題就不難理解了。

之前因?yàn)榭蒲行枨蟛疬^一個(gè)CPU。

于是放兩張照片和大家分享。

這是一個(gè)Top-down View 的SEM照片，可以非常清晰的看見CPU內(nèi)部的層狀結(jié)構(gòu)，越往下線寬越窄，越靠近器件層。

這是CPU的截面視圖，可以清晰的看到層狀的CPU結(jié)構(gòu)，由上到下有大約10層，其中最下層為器件層，即是MOSFET晶體管

拆解的CPU是AMD的產(chǎn)品，AMD作為IBM陣營(yíng)的公司，同Intel不同，其采用的是SOI 襯底技術(shù)。

關(guān)于之前提到的Intel 14nm 技術(shù)，在去年的國(guó)際電子器件會(huì)議上（IEDM2014），Intel公布了其的具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，雖然還是有些語焉不詳，但已經(jīng)能夠比較完整了解其中的一些工藝進(jìn)展。

此為3D FinFET中的Fin結(jié)構(gòu)，F(xiàn)in Pitch（兩個(gè)Fin之間的距離）為40nm，這對(duì)于工藝上是很大的挑戰(zhàn)了，同時(shí)對(duì)于提高集成度縮小成本具有非常重要的意義

這是整個(gè)CPU某一區(qū)域的截面TEM圖，很明顯比我那個(gè)粗糙的SEM要清楚太多了。最下層同樣是晶體管

這張圖上顯示了Intel最新采用的Air Gap技術(shù)，圖中黑色區(qū)域即是air gap。因?yàn)榭諝獾腒值近乎最低，此舉有利于減小互聯(lián)線之間的寄生電容，減小信號(hào)delay

同時(shí)在IEDM 2014上IBM也公布了SOI陣營(yíng)的14nm技術(shù)，相比Intel的技術(shù)，IBM要更加fancy和復(fù)雜，估計(jì)成本也要高不少。

和Intel的體硅（Bulk Si）技術(shù)不一樣，IBM采用的是絕緣體上硅（SOI）上的3D晶體管

關(guān)于7nm以后的technology node，其實(shí)工業(yè)界也是莫衷一是，Wiki上認(rèn)為5nm(5 nanometer)將是Moore‘s Law的盡頭，但I(xiàn)ntel也有大牛表示FinFET技術(shù)可以把Moore’s Law 推展至3nm（Moore's Law Dead by 2022, Expert Says， 7nm, 5nm, 3nm: The new materials and transistors that will take us to the limits of Moore’s law）.

關(guān)于提到的EUV（極紫外）光刻技術(shù)，其采用波長(zhǎng)為13.5nm的紫外光用于光刻，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)遠(yuǎn)小于當(dāng)前使用的193nm光源，因?yàn)楣獾难苌鋷淼木葐栴}將大大減小，但小波長(zhǎng)意味著非常高的能量（正比于光波的頻率，反比于波長(zhǎng)），因此如何得到穩(wěn)定、合適、大功率的光源是一個(gè)極難的問題，同時(shí)因?yàn)闃O小的波長(zhǎng)，普通用于聚焦的透鏡將無法使用，只能使用反射式透鏡，這也是一個(gè)極難的問題。據(jù)說目前TSMC 非?？春么隧?xiàng)技術(shù)，已經(jīng)入手好幾臺(tái)了，只是Intel仍然按兵不動(dòng)，據(jù)說還要接著弄multiple patterning。