處理器(CPU)性能的不斷提高離不開(kāi)優(yōu)秀的核心微架構(gòu)的設(shè)計(jì)，而芯片生產(chǎn)工藝的更新?lián)Q代是保證不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)的處理器變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。每一次制作工藝的更新?lián)Q代都給新一輪處理器高速發(fā)展鋪平了大道。因?yàn)榫€寬越小，晶體管也越小，讓晶體管工作需要的電壓和電流就越低，晶體管開(kāi)關(guān)的速度也就越快，這樣新工藝的晶體管就可以工作在更高的頻率，隨之而來(lái)的就是芯片性能的提升。

大家習(xí)慣了芯片生產(chǎn)工藝兩年一次的更新?lián)Q代，給大家的感覺(jué)好像是從65納米到45納米同以前從130納米到90納米，以及從90納米到65納米一樣沒(méi)有什么特別的。摩爾定律嘛，就是每24個(gè)月，在同樣面積的硅片上把2倍的晶體管"塞"進(jìn)去，循環(huán)往復(fù)……

從單個(gè)晶體管的角度來(lái)看，為了延續(xù)摩爾定律，我們需要每?jī)赡臧丫w管的尺寸縮小到原來(lái)的一半?，F(xiàn)在的工藝已經(jīng)將晶體管的組成部分做到了幾個(gè)分子和原子的厚度，組成半導(dǎo)體的材料已經(jīng)達(dá)到了它的物理電氣特性的極限。最早達(dá)到這種極限的部件是組成晶體管的柵極氧化物–柵極介電質(zhì)，現(xiàn)有的工藝都是采用二氧化硅(SiO2)層作為柵極介電質(zhì)，如下圖。大家也把源極(Source)和漏極(Drain)之間叫做溝道，在柵極氧化物上面是柵極(Gate)。

二氧化硅是什么？玻璃，水晶和石英的主要成分就是二氧化硅，它是一種良好的絕緣體。

同1995年晶體管中二氧化硅層相比，65納米工藝的晶體管中的二氧化硅層已經(jīng)縮小到只有前者的十分之一，僅只有5個(gè)氧原子的厚度了。作為阻隔柵極和下層的絕緣體，二氧化硅層已經(jīng)不能再進(jìn)一步縮小了，否則產(chǎn)生的漏電流會(huì)讓晶體管無(wú)法正常工作，如果提高有效工作的電壓和電流，會(huì)使芯片最后的功耗大到驚人的地步。

為了使大家更好的理解問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，讓我們來(lái)回顧一下晶體管的工作原理。下圖中的S是指源極(Source)，D是指漏極(Drain)，G是柵極(Gate)。晶體管的工作原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是用兩個(gè)狀態(tài)表示二進(jìn)制的"0"和"1"。

源極和漏極之間是溝道(Channel)，當(dāng)沒(méi)有對(duì)柵極(G)施加電壓的時(shí)候，溝道中不會(huì)聚集有效的電荷，源極(S)和漏極(S)之間不會(huì)有有效電流產(chǎn)生，晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)。可以把這種關(guān)閉的狀態(tài)解釋為"0"，

當(dāng)對(duì)柵極(G)施加電壓的時(shí)候，溝道中會(huì)聚集有效的電荷，形成一條從源極(S)到漏極(D)導(dǎo)通的通道，晶體管處于開(kāi)啟狀態(tài)，可以把這種狀態(tài)解釋為"1"。這樣二進(jìn)制的兩個(gè)狀態(tài)就由晶體管的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)表示出來(lái)了。

我們可以把柵極比喻為控制水管的閥門(mén)，開(kāi)啟讓水流過(guò)，關(guān)閉截止水流。晶體管的開(kāi)啟/關(guān)閉的速度就是我們說(shuō)的頻率，如果主頻是1GHz，也就是晶體管可以在1秒鐘開(kāi)啟和關(guān)閉的次數(shù)達(dá)10億次。

回到前面的問(wèn)題，從65納米開(kāi)始，我們已經(jīng)無(wú)法讓柵極介電質(zhì)繼續(xù)消減變薄，而且到45納米，晶體管的尺寸要進(jìn)一步縮小，源極和漏極也靠得更近了，如果不能解決柵極向下的漏電流問(wèn)題以及源極和漏極之間的漏電流問(wèn)題，摩爾定律也許就此終結(jié)。

現(xiàn)有材料都到物理極限了，怎么辦呢？英特爾的技術(shù)精英們?cè)诰攀甏衅诰驼J(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題了，進(jìn)一步縮小二氧化硅層是不可能的了，需要突破習(xí)慣的思維方式，尋找未知的新材料，讓摩爾定律繼續(xù)有效。放棄已經(jīng)用了近40年的現(xiàn)有材料，做出這樣的決定需要巨大的勇氣和科學(xué)的睿智。

既然繼續(xù)采用二氧化硅作為柵極介電質(zhì)沒(méi)有前途，那么就要另辟蹊徑，有沒(méi)有可以代替二氧化硅的材料呢？就是尋找比二氧化硅更好的"絕緣體"，用以更好的分隔柵極和晶體管的其他部分，而且替代材料需要具有比二氧化硅更高的介電常數(shù)和更好的場(chǎng)效應(yīng)特性。

說(shuō)到這里，需要先解釋一下，什么是材料的高介電常數(shù)和場(chǎng)效應(yīng)？就是材料應(yīng)具有良好的絕緣屬性，同時(shí)在柵極和晶體硅襯底上的通道之間(源極和漏極之間)產(chǎn)生很好的場(chǎng)效應(yīng)–就是高-K。

高的絕緣屬性和高-K屬性都是高性能晶體管的理想屬性。K 其實(shí)是電子學(xué)的工程術(shù)語(yǔ)，K源于希臘文Kappa，用于衡量一種材料存儲(chǔ)電荷(正電荷或者負(fù)電子)的能力。類(lèi)比于不同吸水的材料，海綿可以吸附和存儲(chǔ)大量的水，木頭可以存儲(chǔ)一些水分，所以海綿比木頭的"K值"更高。具有高K的材料可以比其他材料能夠更好地存儲(chǔ)電荷。

下面的示意圖中，采用了2種不同K值的材料(灰色部分)，為了方便說(shuō)明，假定最左邊材料的K值為1，中間和最右邊材料的K值為=2。

 

給定相同的電壓V+(圖示中為正電壓)，如果材料的厚度相同，K=2的材料存儲(chǔ)電荷的能力是K=1的材料存儲(chǔ)電荷能力的2倍–圖示最左邊和中間的相比。如果K=2材料的厚度為K=1材料的2倍，那么存儲(chǔ)電荷的能力就相同了–圖示最左邊和最右邊的相比。

擁有更高的"K"值的材料可以和目前的二氧化硅做得一樣厚，也可以更厚些–同時(shí)保持著更理想的屬性。因此，高K材料可以大幅減少漏電量。

雖然知道了目標(biāo)，但是要找到高K的材料，并用之完善地代替目前的二氧化硅作為新的柵極介電質(zhì)可不是一件輕而易舉的事情。在元素周期表里找到符合條件的可能元素，然后對(duì)這些元素的氧化物和硅酸鹽進(jìn)行一個(gè)一個(gè)的篩選。需要經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的試驗(yàn)和測(cè)試它們的：介電常數(shù)、電氣特性的穩(wěn)定性、形成場(chǎng)效應(yīng)的結(jié)構(gòu)、是否和硅兼容等等。

在最初的兩年里，沒(méi)有太多的進(jìn)展，研究人員經(jīng)歷了數(shù)不清的失敗和沮喪。研究人員付出的艱辛是難以想象的，因?yàn)闆](méi)有前人的路可以走，沒(méi)有可以參考的現(xiàn)成資料。如果沒(méi)有創(chuàng)新的勇氣和韌性，沒(méi)有對(duì)已有經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)的否定，就不可能做到這樣的技術(shù)突破。

最終找到了一種基于金屬鉿(讀音為哈，英文為Hafnium)的氧化物，這種材料具有高K的潛質(zhì)。好事多磨，這種材料作為新的柵極介電質(zhì)和原來(lái)的柵極的多晶硅并不兼容。長(zhǎng)話短說(shuō)，英特爾的研究人員又經(jīng)過(guò)了更多次的試驗(yàn)和篩選，終于找到了解決辦法，就是采用金屬代替多晶硅作為柵極材料，而且對(duì)于PMOS和NMOS晶體管采用的金屬是不一樣的，因此英特爾45納米的處理器中將有2種金屬作為柵極材料。那么這兩種金屬是哪兩種金屬呢？呵呵，對(duì)不起，這還是商業(yè)秘密，目前還不便于對(duì)外公布。

下圖中就是目前標(biāo)準(zhǔn)晶體管結(jié)構(gòu)的示意圖，這種晶體管的材料在過(guò)去將近四十年沒(méi)有太大的變化：在晶體硅襯底上的柵極是多晶硅，柵極介電質(zhì)是二氧化硅。

下圖是新的"高-K 柵極介電質(zhì)+金屬柵極"晶體管。注：介電質(zhì)也稱(chēng)為介質(zhì)。

新的材料找到了，那么在具體的實(shí)現(xiàn)中，這些新材料能給晶體管帶來(lái)所期望的結(jié)果嗎？

確定了新的材料，要在45納米的量產(chǎn)中達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)也不是一件容易的事情。其中的艱辛就不再累述?，F(xiàn)在看看新的材料在"高-K 柵極介電質(zhì)+金屬柵極"晶體管中帶來(lái)了什么樣的奇特效果。

下圖是采用了新材料做出來(lái)的晶體管的示意圖，這種"高-K 柵極介電質(zhì)+金屬柵極"晶體管與前一代"傳統(tǒng)材料"做的晶體管相比，有以下幾個(gè)顯著的飛躍。

(1) 源極(S)到漏極(D)的漏電降低 5倍以上，圖中S到D箭頭方向 (2) 柵極氧化物介電質(zhì)漏電降低 10倍以上，圖中從上到下的箭頭方向 (3) 驅(qū)動(dòng)電流效率提升20% 以上，即晶體管的性能提升20%

從單個(gè)數(shù)字看5倍，10倍以及20%，可能不是特別激動(dòng)人心，不過(guò)我們想象一下，一顆芯片上數(shù)以?xún)|計(jì)的晶體管，每個(gè)晶體管都能得益于這樣的飛躍，那么累計(jì)提高的能效和減少的漏電量無(wú)異于"螞蟻雄兵"，非常可觀。障礙晶體管做得更小，漏電更低，能效更高以及性能更高的物理瓶頸就得以突破了。

英特爾公司為了將研制成功的高-k柵介質(zhì)+金屬柵極晶體管應(yīng)用于微處理器芯片的規(guī)模量產(chǎn)，還需要做到： 1. 集成到45納米 CMOS制程中 2. 達(dá)到高性能 3. 整體的低漏電 4. 滿(mǎn)足高可靠性要求 5. 工藝可量產(chǎn)和精確拷貝

下圖的靚照是采用高-k柵介質(zhì)+金屬柵極晶體管和45納米工藝制造出來(lái)的、最新的酷睿2雙核處理器的芯片剖面圖。它的面積僅有107平方毫米，基本上就是1厘米見(jiàn)方，即1×1厘米的大小，但是卻擁有4.1億個(gè)晶體管。

英特爾公司已經(jīng)于去年11月分開(kāi)始開(kāi)始量產(chǎn)45納米的基于高-k柵介質(zhì)+金屬柵極晶體管的處理器產(chǎn)品，產(chǎn)品覆蓋整個(gè)產(chǎn)品線：服務(wù)器，臺(tái)式機(jī)和筆記本。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的量產(chǎn)時(shí)間比業(yè)界同行整整早了至少2年時(shí)間。

按照計(jì)劃和估計(jì)，英特爾公司45納米量產(chǎn)的芯片將于2008年第3季度超過(guò)65納米量產(chǎn)的芯片，新舊更替的分水嶺就在圖中趨勢(shì)線的交叉點(diǎn)。

雖然英特爾今天成功地越過(guò)了研制量產(chǎn)45納米和高-K 柵極介電質(zhì)+金屬柵極晶體管的障礙，但是按照摩爾定律，兩年以后，就是2009年，就要試產(chǎn)新一代的生產(chǎn)工藝–32納米。擺在英特爾公司面前當(dāng)然不是一馬平川，不過(guò)，我們相信這些困難和障礙在英特爾人面前都會(huì)變成歷史。

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