45nm

虽然45nm Penryn核心的桌面处理器至今没有全面铺开，但在笔记本方面，新处理器的普及速度却是相当快，今年一季度出货的笔记本中有23％都采用了45nm型号。

到第二季度，Intel计划将这一比例提升到47％，其中28％基于Santa Rosa Refresh平台、19％基于Montevina平台。

第五代迅驰Montevina将在6月3日发布，也就是台北Computex 2008大展的第一天，这样Intel需要在不到一个月的时间里让将近两成的笔记本升级到新一代平台。

一季度的Intel笔记本仍有77％之多都采用了65nm Merom核心，这一数字将在本季度降至53％。

在2007年12月国际电子元件会议(IEDM)举行前约一个月，美国EETimes杂志曾提到，英特尔公司45nm工艺技术的主要特点是采用铪基高k介电材料，将氮化钛(TiN)用于PFET取代栅极，并将TiN阻挡层与一种功函数调整金属组成的合金用于NFET取代栅极。

英特尔公司的45nmHKMG(高k金属栅极)技术的一些重点在于：高k栅极先加工、金属栅后加工的集成方式；氧化铪栅极介电材料(1.0nmEOT)；以及双带边功函数金属栅极(TiN用于PMOS，TiAlN用于NMOS)。栅极后加工集成是一个重点，需要在英特尔公司工艺流程中作进一步说明。

上面提到的“先加工”和“后加工”是指按照多晶硅积淀工艺形成高k栅极和金属栅极的顺序。目前众所周知的是，英特尔公司在45nm节点采用了一种栅极后加工或取代栅极工艺流程。但这也引发了对其语义的激烈争论：它究竟是“栅极”还是“后加工”。

取代栅极流程让英特尔公司能够复用过去多晶硅栅极技术中的许多工艺步骤和工具。曝光多晶硅并形成传统二氧化硅及氮化硅侧壁分隔层的工艺，在源/漏极形成及它们的轻掺杂延伸区域中均利用了已获验证的自对准工艺。一旦这些步骤完成，多晶硅就被除去，而功函数金属取而代之被积淀。

但在第一次多晶硅积淀之前有一些很有趣的事情发生。与IEDM发表的文章叙述相反，英特尔公司在牺牲的栅极多晶硅之前积淀了第一个功函数金属层。

图1：英特尔公司PenrynPMOS晶体管结构。

图2：晶体管的物理栅极长度(LG)测量。

图3：0.346平方微米的SRAM单元。

对于P沟道晶体管，TiN紧跟着HfO2介电材料之后被积淀。添加铝形成TiAlN后可以将功函数调整为适合于N沟道晶体管。英特尔的工艺通过在多晶硅形成和图样化之前积淀首个功函数层可以保护HfO2免受多晶硅蚀刻。SI工程师把首个金属栅极层称为顶部接口层(TIL)，因为它为HfO2电介质提供了无可否认的保护。P型金属栅极是TiN，添加铝后可形成TiAlN及适合于NMOS的功函数。在去除多晶硅牺牲层之后，在它们各自的N和P沟道晶体管中分别积淀两种较厚的金属层，并通过多晶硅蚀刻在剩下的沟道底部和侧壁形成阻挡层。

无可辩驳地，关于“栅极”含义的评论当然没有已完成产品的电气性能来得重要。英特尔公司的45nm工艺技术在这方面确实令人印象深刻。SI的晶体管电气参数提取显示1.0V室温下饱和驱动电流如下：

-PFETIDSAT=1.08mA/μm

-NFETIDSAT=1.36mA/μm

英特尔公司去年12月在IEDM的演讲中证实了这些数值(不过我们的PFET数值比英特尔公司报告的高出10微安)。我们的结果显示低温下(-20℃)驱动电流较高，高温下(85℃)电流会降低。

这些高驱动电流值引发了更多有关栅极结构的问题。在晶体管的物理栅极长度(LG)和较短的电气有源沟道长度(Lelec)之间始终存在着差异。不过，在现代金属栅极技术出现之前，规定LG并比较不同制造厂的晶体管之性能相当容易。英特尔公司的栅极结构给分析人员带来了一些新的问题。

英特尔公司报告了35nm的栅极长度，这非常适合于它的NFET产生的1.36mA/μm的驱动电流。但如果以一种类似于多晶硅栅极所采用的标准方式来测量的话，这种栅极结构的边缘到边缘尺寸接近45nm。这意味着要产生这么大的饱和电流，LG、Lelec和源/漏扩展长度之间的比例将失衡。

答案看来和金属栅极边缘的位置问题有关。过去认为多晶硅栅极的整个宽度影响晶体管沟道中的载流子。而现在，由于多晶硅被蚀刻掉，并在后加工栅极工艺中被填充沟道的金属栅极所取代，情况变得不那么简单了。积淀在栅极沟道中的第一种材料不是金属，而是一种阻挡材料，这意味着栅极的有源部分比传统的测量长度小，后者指栅极各侧边上的侧壁分隔层之间的长度。不过，由于阻挡层相当薄，这并不能解决栅极测量的差异。

这样看来决定电气有源栅极长度的似乎是侧壁分隔层与TIL相遇处形成的鸟嘴。SI分析显示，这里的鸟嘴是钻蚀多晶硅时的TIL和高k蚀刻的结果。在氮化硅分隔层形成之前的多晶硅侧壁再氧化加剧钻蚀的效果。对于积淀在沟道中的金属栅极，这时有一条很厚的k值较低的路径通向沟道，它显然无法在电气上影响鸟嘴正下方区域的电荷载子。

金属栅极的核心部分也可以是TIL本身。因为这一层包含了和后加工栅极层相同的功函数金属，也许它的边缘能够定义金属栅极长度。幸运的是，TIL层的边缘差不多对准其上的鸟嘴，故这个测量点的选择对你获得的LG值不会产生影响。

所有这一切的关键在于栅极沟道边缘与功函数金属(不论前加工还是后加工)的电气有源边缘之间的间距在8到10nm间。这似乎解释了英特尔公司报告的LG值和我们期望值之间的差异。

添加铪虽然可以解决泄漏功率问题，却令工艺集成工程师头痛不已。英特尔公司通过在硅基板和HfO2层之间形成一个氧化硅(也可能是氧氮化硅)底部接口层(BIL)，避免了铪带来的不利之处(阈值电压牵制和载流子迁移率降低)。BIL不仅让铪进入栅极堆叠，还为工艺工程师提供了又一个调整机制。由于栅极介电材料对晶体管沟道及电气性能的影响是各层单独影响的函数，故对于不同的晶体管应用，阈值电压可通过改变BIL厚度来控制。

由于在45nm节点，线边缘粗糙度和随机掺杂浓度变化问题变得愈加棘手，工艺可变性及其设计成为一个热门话题。英特尔公司在IEDM2007的第二次演讲中对此进行了阐释，其中，KelinKuhn讨论了如何通过工艺改进和设计变化来提高良率。她以SRAM单元为例说明了半导体设计从90nm到45nm的发展历程。90nm节点所采用的“高”单元版图在65nm节点被“宽”单元所取代。65nm的单元设计通过单向对准多晶硅和消除有源区域图案中的角落，改进了工艺尺寸控制和可变性。在45nm节点，英特尔公司的工艺只采用方形盒盖图案，从而消除了“狗骨头(dogbone)”和“冰柱(icicle)”形状。在后加工栅极工艺中，这种均匀一致的结构也有助于可靠填充。

英特尔公司在45nm节点继续采用193nm干法光刻。通过严格的设计规则来构建“结构式”栅极版图，正如Kuhn在她关于SRAM单元的讨论中所提到的那样。对先进的HKMG技术而言，金属栅极的这种均匀规则排列的DFM技术无需投资新的浸没式工艺即可以提高良率。而形成精确矩形栅极图案确实需要额外的步骤，因为多晶硅牺牲层采用两次图形曝光技术。

英特尔公司65nm工艺技术的许多特性仍在不断演进。“第三代”应变硅在结构上类似于英特尔公司65nm工艺的嵌入式SiGePMOS。45nm仍将沿用Nickelsalicide。英特尔公司还采用多达9个金属层的大马士革铜工艺。含有掺碳氧化物的则形成了低k值层间介电材料集成方案。

【赛迪网讯】未来技术应该是继续向前发展的，目前国际上45nm已经实现量产，许多公司已经投入到32nm以及更进一步的22nm技术的研究开发中，同时相应的半导体器件的研究也已经开始。当传统的物理现象不能支持半导体工业发展的时候，我们就需要应用到另外的新技术——也许和以前根本不一样的技术来实现逻辑功能，这就需要更多的研发费用，未来的竞争也许就在研发投入上展开。

市场对半导体产业不断提出新的要求，促使半导体产业不断向前迈进，新应用正在成为推动半导体产业发展的动力。

SEMI(国际半导体设备及材料协会）预计2008年半导体设备总销售额为410.5亿美元，较2007年减少1.5%。减少的原因是多方面的，有市场的原因，也有资金的原因。在每次的市场低迷时期，中国市场都格外引人关注。在今年SEMICON China召开前夕，本报记者独家采访了SEMI中国总裁丁辉文先生。2008年SEMICON China正式进入中国20年了，20年来中国集成电路产业有了翻天覆地的变化，特别是2000年到2006年的五六年中，中国半导体设备市场增长了800%，是全球增长率最快的市场。随着45nm技术的量产，先进工艺技术也为中国带来了发展机遇。丁辉文认为，前不久，中芯国际与IBM进行的45nm技术的交流，说明中国离世界最先进的技术越来越近了。

45nm技术给中国带来机会

集成电路产业发展一直以来都在遵循摩尔定律，到现在，发展的脚步并没有停下来。丁辉文认为，中国现在已经涉及45nm，触到了产业发展的前沿，这是非常好的事情。

45nm技术的问世，使电子产品的功能更强，价格下降更快。这给中国半导体产业带来了机遇，同时也带来了挑战。新技术产生了，中国正沿着这个新技术向前迈进，中国半导体业与先进技术之间的差距正在缩短。前不久，中芯国际与IBM也进行了45nm技术的交流，可见中国离世界最先进的技术越来越近了。

与此同时，这对大多数传统企业来讲是有挑战的。有些产品对工艺并不敏感，比如传统的模拟电路，并不一定要追求45nm，它对工艺的依赖性比较小。但对于ASIC（专用集成电路）产品、逻辑性产品、存储器等，对工艺依赖性比较大，同时，对价格也比较敏感。对于这样的产品，如果跟不上技术进步的步伐，将处于不利地位。

对于先进技术的芯片制造厂，要成功提高利润率，通常需要在一个尽可能领先的技术节点生产尽可能多的产品。此外，通过生产技术领先的产品产生的利润还能为完成先进技术节点的学习曲线提供资金。存储器产品是一个典型的例子。它对成本极其敏感，而技术的提升，包括工艺线宽的缩小与成品率的提高，都将实现成本的降低，从而提高产品的利润。因此三星、现代、美光、英飞凌等厂商争先恐后地在研发新技术。

总体来讲，面对45nm，中国面临着新的发展机遇，现在看来，中国也已经参与了45nm制造技术研发。我们的制造技术会向前迈进一大步，而且中国是集成电路的消费大国，我们也最大限度地享受到了最新技术给我们带来的好处。

45nm技术的问世，是一个自然发生的事情，并不特殊，丁辉文认为，与之前90nm、65nm等技术的到来都是一样的自然，都是技术发展过程中的一个自然过渡，中国也跟着技术发展趋势在发展。目前全球45nm技术正在向量产过渡，中国面临的一个问题就是要不要跟进，如果不跟进，最先进的一些设计就没办法实现，如果要跟进，就面临设备的进口。丁辉文认为，设备的进口并不是发展的障碍，主要的障碍还是投资决策问题，资金从哪里来，是我们要考虑的首要问题，这更多的是商业规划问题。

巨额研发费用将阻碍产业发展

SEMI做过一个研发投入的调查报告，全球半导体设备供应商研发费用缺口非常大，大概在100亿美元的数量级上。半导体产业在不断发展，合作、并购越来越多，设备的效率越来越高。因此，未来就会出现这样的情况，就是半导体制造厂商越来越少，设备供应商的销售按台计算，最多不过百台，也就是说，100亿美元的投入要分摊到100台的设备上去，这就牵扯到谁来买单的问题。现在产品的更新非常快，整个集成电路产业的发展速度快于集成电路设备产业的发展速度，在越来越接近物理极限的情况下，设备的稳定性、可靠性以及新材料应用将是最大的挑战。

丁辉文认为，目前挑战来自两个部分，一个是技术挑战，另外一个就是资金的挑战，即设备谁来买单的问题。众所周知，65nm及以下技术的工艺研发和设备费用都在直线上升，因此只有制造公司、设备材料厂商共同合作，成立研发联盟，才能真正解决技术和资金的问题。

合作成为未来技术研发的主要途径。比利时研究机构IMEC的研究人员和其在32nm CMOS（互补金属氧化物半导体）项目的合作伙伴宣称取得了一个重大的突破，主要是可以通过使用基于铪的高k电介质和钽-碳化物金属门来大大提升平面CMOS的表现能力。他们在华盛顿举行的国际电子设备会议上大致描绘该项技术的原理。IMEC在32nm和低能32nm项目的合作伙伴包括英飞凌、奇梦达、英特尔、美光、恩智浦、松下、三星、意法半导体、德州仪器、台积电，IMEC的CMOS研究的主要合作伙伴包括Elpida、现代等。

此外，很多设备及材料厂商也都在与IMEC等国际研发中心合作。

新应用将是半导体产业发展引擎

虽然在技术发展过程中遇到种种困难，但是丁辉文认为，半导体产业技术进步的脚步不会放缓。市场对产业不断提出新的要求，促使半导体产业不断向前迈进，一群人奔跑只会越来越快，不会越来越慢。技术进步并不只代表45nm向32 nm的进步，也不只代表晶圆尺寸从300mm向450mm的进步，在应用层面和系统集成方面的突破正在发挥越来越大的作用，新应用正在成为推动半导体产业发展的动力，人们对半导体产业的依赖性只会越来越大。有统计表明，电子产品中半导体的含量是逐年增加的，现在电子产品五花八门，因此，半导体产业的发展步伐只会加速，不会放缓。

根据SIA的预测，IC产品的销售额还将继续增加，这其中除了消费电子产品、通信、工业等应用外，生物芯片等新兴市场也将成为广义芯片的新的增长领域。

目前美国已研制出一种可植入人体的只有米粒大小的生物芯片，上面记录着个人的身份、病历等信息。芯片可以对外发射无线电信号，当附近的仪器对其进行扫描时，芯片就会在仪器上显示出数据。人体芯片植入人体的过程非常简单，消毒麻醉后几分钟便可完成。伤口愈合后，从外面根本看不出芯片在哪里，即使是受试者本人也感觉不到芯片的存在。当你遭遇了一场意外，已无法说话时，医生可以通过你体内的人体芯片了解你的病史或身体状况，采取合理的治疗措施。如果在芯片中加入传感装置，还可以随时读取人体的脉搏、血糖和体温等指数。医生通过全球卫星定位系统便可随时观察被监护人的位置及他们的健康状况。

生物芯片有着极为诱人的市场前景，相关的产业也正在崛起。去年全球生物芯片市场已达170亿美元，用生物芯片进行药理遗传学和药理基因组学研究所涉及的世界药物市场每年约1800亿美元。到2005年，仅美国用于基因组研究的芯片销售额就达50亿美元，2010年有可能上升为400亿美元。这还不包括用于疾病预防及诊治等其他领域中的基因芯片，该部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。有关专家预计，基因芯片及相关产业将取代微电子芯片产业，成为本世纪最大的产业。

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作为一个国际性的行业协会，SEMI的主要目的就是为会员服务。随着中国半导体产业的发展，SEMI（中国）的会员也得到了很大发展，因此，SEMI（中国）的宗旨就是协助推动中国半导体产业不断发展。这是一个大方向，在这个大方向中，今后SEMI（中国）将更加注重于如何利用中国特有的竞争优势来发展半导体产业。

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随着半导体产能的不断提高，半导体材料也面临着非常好的发展的机会，半导体材料是SEMI今后要重点关注的领域。

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1988年SEMI举办了第一届SEMICON China，当时展位只有一两百个，参观的人数也不多。从2000年开始，这一展会有了突飞猛进的发展，从最早的一两百个展位发展到现在的2500个展位。2000年，以中芯、宏力为代表的先进半导体制造企业开始进入中国市场，这些都推动了中国市场的快速发展。从2000年到2006年的五六年中，中国半导体设备市场增长了800%，是全球增长率最快的市场。