新材料——晶体管发展四十年来之最大突破

新材料——晶体管发展四十年来之最大突破

　　出于二氧化硅的易获取性以及能够通过压缩其厚度以持续改善晶体管效能，因此在过往四十余年的时间中，业内均普遍采用二氧化硅做为制造晶体管栅介质的材料。而在65纳米制程工艺下，Intel公司已经将晶体管二氧化硅栅介质的厚度压缩至1.2纳米，仅与五层原子的厚度相当，基本上达到了这种传统材料的极限。此时不但使得晶体管在效能增益以及制程提升等方面遭遇瓶颈，过薄的晶体管二氧化硅栅介质亦使得其阻隔上层栅极电流泄漏的能力逐渐降低，导致漏电率大幅攀升。

45纳米新型High-k + Metal Gate介质与传统材料之比较

　　为了使上述情况得到解决，Intel公司于45纳米Penryn家族处理器中首度引入High-k技术。此种以hafnium铬元素为基础物质的新型材料不但拥有良好的绝缘性，且比传统二氧化硅栅介质更为厚实，能够进一步控制晶体管的漏电率。当然，由于High-k晶体管栅介质与现有晶体管栅极并不兼容，因此Intel公司亦同时拿出新型晶体管栅极材料，使得晶体管内部源极到漏极之间的驱动电流增加20%以上，不仅能够有效提升晶体管效能，亦能够使得晶体管内部源极到漏极之间的漏电率降低5倍左右，但Intel公司并没有透露这种名为Metal Gate的合金材料的具体组成细节。

Intel公司45纳米High-k + Metal Gate介质示意图

　　High-k栅介质与Metal Gate栅极的引入能够使得晶体管漏电率较之传统材料降低10倍以上，与65nm制程工艺相比能够在相同耗能下提升20%的时钟频率亦或是在相同时钟频率下拥有更低的耗能。45纳米晶片每秒钟能够进行约三千亿次的开关动作，在以铜与low-k材料搭配组成的内部连接线的作用下，晶片开关速度能够提升20%且耗电量降低30%。

　　值得一提的是，除二氧化硅外，铅由于其具备相当的电气和机械特性，数十年来亦被广泛应用电气元件的制造中。不过虽然其创造价值无数，但对于生态环境以及人类健康的危害亦不容被忽视，从业者也在积极寻找能够充分满足制造需求的铅替代材料，而身为全球领先半导体厂商的Intel公司更是有着义不容辞的责任与义务。

　　对现代处理器而言，铅主要存在于用于连接硅晶片与基板的内部连接点第一层内5%左右的焊锡中，而Intel公司则以锡、银、铜的合金取代现有铅、锡为主的焊锡，并宣布于45纳米High-k + Metal Gate产品中全面采用100%无铅工艺制造，而2008年基于65纳米制程工艺制造的产品亦将加入到这一行列之中。值得一提的是，对于拥有复杂硅晶片连接结构的处理器技术而言，替换其连接材料绝非易事，Intel公司为此耗费了大量的精力，但其意义无疑是相当深远的。