資訊科技

第一代奈米晶片

隨著科學家與工程師不斷將晶片製造技術的極限往下推進,它們已經悄悄跨入了奈米的領域。

撰文/哈奇森(G. Dan Hutcheson)
翻譯/蔡雅芝

資訊科技

第一代奈米晶片

隨著科學家與工程師不斷將晶片製造技術的極限往下推進,它們已經悄悄跨入了奈米的領域。

撰文/哈奇森(G. Dan Hutcheson)
翻譯/蔡雅芝

對大多數人而言,採用奈米科技來製造電子線路的念頭,只是未來的狂想。然而事實上,如果你使用的個人電腦是在近幾年製造的,那麼你指派的任務,很可能就是由具有奈米級線寬(feature size)的半導體去執行。這些複雜得不得了的微晶片,或者應該稱為奈米晶片,現在是以數百萬計的規模在生產,然而負責研發它們的科學家及工程師卻很少受到注意。這些人可以說是奈米科技背後沉默的推手,因此我要借此篇幅宣揚他們的成就,並說明他們如何不斷努力,使電子線路性能的穩定進步成為消費者習以為常的事實。


最近的大躍進確實令人印象深刻,不過你可能會問,半導體製造真的也算是奈米科技嗎?它確實是的。再怎麼說,奈米科技這個名詞最廣為接受的定義,適用在尺寸小於100奈米的物體上,而第一批閘極符合這個標準的電晶體,已經在2000年量產了。目前即將上市的積體電路,其閘極只有50奈米寬,這可是一公尺的2000萬分之一,大約是人髮寬度的1/1000。


有了這麼微小的元件,當然方便我們將它們大量塞入小巧的包裝中,不過節省空間本身並不是極致微小化背後的主要動力;把東西做得更小的理由,在於這樣能降低每顆電晶體的單位成本。附帶的額外收穫是,整體的微型化同時也縮小了閘極尺寸。閘極是電晶體中負責阻擋或讓電流通過的開關,閘極越窄,電晶體開啟與關閉的速度越快,使用電晶體的線路因而得以提高其速度上限。因此,微處理器含有越多的電晶體,它們的速度就越快。


增加晶片上的電晶體數目並使晶片運作得更快的需求,說明了半導體工業為何要在跨入新千禧年之際,由微晶片的製造轉而生產奈米晶片。它如何悄悄跨越這個里程碑並繼續挺進,是個令人驚奇的故事,描述了人們如何克服這個時代工程上最偉大的幾個挑戰:其艱鉅程度絲毫不亞於建造第一顆原子彈,或是將人類送上月球。


卯足全力加速


想要一探這些引領我們迎接奈米晶片時代的技術創新,最好的方法就是來回顧一下現代半導體製造在每個階段所經歷的進展。就以我用來撰寫本文的這台電腦為例,裡面的微處理器Pentium IV晶片含有約4200萬顆電晶體,彼此以錯綜複雜的方式連接在一起。這種工程上的奇蹟究竟是怎麼製造出來的?且讓我們來看看它的製造步驟。


在開始晶片製造的過程之前,你得先取得一大塊純矽的晶體。傳統的方法是由浸在融熔矽中的一小顆晶種開始長晶。這個過程會產出一個圓柱形的矽晶棒,它是一顆具有寶石品質的巨大晶體,稍後我們可以從它身上切下許多薄薄的晶圓。

然而這樣一顆單晶棒已經不足以滿足工作需求:它們有太多「缺陷」分佈在原子晶格之間,這會影響矽的導電能力,而且會在晶片製造過程中帶來麻煩。因此晶片製造商現在通常會將每塊晶圓暴露在含矽的氣體中,在其表面上沉積薄薄一層沒有缺陷的單晶矽。這項技術提高了電晶體的速度,不過工程師為了追求更好,採用一種稱為「絕緣層覆矽」的技術,方法是在晶圓表面下緣加入薄薄一層絕緣氧化物。這麼做可以降低部份電晶體與底下矽基板之間的電容(即儲存電荷的能力),電容是速度降低及功率損耗的原因之一。採取絕緣層覆矽的幾何結構,可以提升電晶體在開與關之間的切換速度(換種說法是降低所需的功率)達30%之譜。這相當於在線寬上往前邁進一代的成就。