电晶体管发展史上近四十年来的最大突破

作者：中关村在线 刘一非

　　 大家习惯了芯片生产工艺两年一次的更新换代，给大家的感觉好像是从65纳米到45纳米同以前从130纳米到90纳米，以及从90纳米到65纳米一样没有什么特别的。摩尔定律嘛，就是每24个月，在同样面积的硅片上把2倍的晶体管“塞”进去，循环往复……

英特尔中国资深技术专家赵军先生与主持人共话45纳米制程之奥妙

　　 针对这一问题，英特尔中国资深技术专家赵军先生这样说到：从单个晶体管的角度来看，为了延续摩尔定律，我们需要每两年把晶体管的尺寸缩小到原来的一半。现在的工艺已经将晶体管的组成部分做到了几个分子和原子的厚度，组成

半导体的材料已经达到了它的物理电气特性的极限。最早达到这种极限的部件是组成晶体管的栅极氧化物——栅极介电质，现有的工艺都是采用二氧化硅(SiO2)层作为栅极介电质。

　　 同1995年晶体管中二氧化硅层相比，65纳米工艺的晶体管中的二氧化硅层已经缩小到只有前者的十分之一，仅只有5个氧原子的厚度了。作为阻隔栅极和下层的绝缘体，二氧化硅层已经不能再进一步缩小了，否则产生的漏电流会让晶体管无法正常工作，如果提高有效工作的电压和电流，会使芯片最后的功耗大到惊人的地步。从65纳米开始，我们已经无法让栅极介电质继续消减变薄，而且到45纳米，晶体管的尺寸要进一步缩小，源极和漏极也靠得更近了，如果不能解决栅极向下的漏电流问题以及源极和漏极之间的漏电流问题，摩尔定律也许就此终结。

45纳米新型High-k + Metal Gate介质与传统材料之比较

　　 既然继续采用二氧化硅作为栅极介电质没有前途，那么就要另辟蹊径，有没有可以代替二氧化硅的材料呢？就是寻找比二氧化硅更好的“绝缘体”，用以更好的分隔栅极和晶体管的其他部分，而且替代材料需要具有比二氧化硅更高的介电常数和更好的场效应特性。

　　 虽然知道了目标，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为新的栅极介电质可不是一件轻而易举的事情。在元素周期表里找到符合条件的可能元素，然后对这些元素的氧化物和硅酸盐进行一个一个的筛选。需要经过无数次的试验和测试它们的：介电常数、电气特性的稳定性、形成场效应的结构、是否和硅兼容等等。

Intel公司45纳米High-k + Metal Gate介质示意图

　　 最终找到了一种基于金属铪(读音为哈，英文为Hafnium)的氧化物，这种材料具有高K的潜质。好事多磨，这种材料作为新的栅极介电质和原来的栅极的多晶硅并不兼容。长话短说，英特尔的研究人员又经过了更多次的试验和筛选，终于找到了解决办法，就是采用金属代替多晶硅作为栅极材料，而且对于PMOS和NMOS晶体管采用的金属是不一样的，因此英特尔45纳米的处理器中将有2种金属作为栅极材料。