半導體技術摩爾法則

今年是摩爾法則(Moore'slaw)問世50周年，這一法則的誕生是半導體技術發(fā)展史上的一個里程碑。

這50年里，摩爾法則成為了信息技術發(fā)展的指路明燈。計算機從神秘不可近的龐然大物變成多數人都不可或缺的工具，信息技術由實驗室進入無數個普通家庭，因特網將全世界聯系起來，多媒體視聽設備豐富著每個人的生活。這一法則決定了信息技術的變化在加速，產品的變化也越來越快。人們已看到，技術與產品的創(chuàng)新大致按照它的節(jié)奏，超前者多數成為先鋒，而落后者容易被淘汰。

這一切背后的動力都是半導體芯片。如果按照舊有方式將晶體管、電阻和電容分別安裝在電路板上，那么不僅個人電腦和移動通信不會出現，連基因組研究、計算機輔助設計和制造等新科技更不可能問世。有關專家指出,摩爾法則已不僅僅是針對芯片技術的法則;不久的將來，它有可能擴展到無線技術、光學技術、傳感器技術等領域，成為人們在未知領域探索和創(chuàng)新的指導思想。

毫無疑問，摩爾法則對整個世界意義深遠。不過，隨著晶體管電路逐漸接近性能極限，這一法則將會走到盡頭。摩爾法則何時失效?專家們對此眾說紛紜。早在1995年在芝加哥舉行信息技術國際研討會上，美國科學家和工程師杰克·基爾比表示，5納米處理器的出現或將終結摩爾法則。中國科學家和未來學家周海中在此次研討會上預言，由于納米技術的快速發(fā)展，30年后摩爾法則很可能就會失效。2012年，日裔美籍理論物理學家加來道雄在接受智囊網站采訪時稱，"在10年左右的時間內，我們將看到摩爾法則崩潰。"前不久，摩爾本人認為這一法則到2020年的時候就會黯然失色。一些專家指出，即使摩爾法則壽終正寢，信息技術前進的步伐也不會變慢。

在半導體領域，"大數據分析"作為新的增長市場而備受期待。這是因為進行大數據分析時，除了微處理器之外，還需要高速且容量大的新型存儲器。在《日經電子》主辦的研討會上，日本中央大學教授竹內健談到了這一點。

例如，日本中央高速公路的笹子隧道崩塌事故造成了多人死亡，而如果把長年以來的維修和檢查數據建立成數據庫，對其進行大數據分析，或許就可以將此類事故防患于未然。全世界老化的隧道和建筑恐怕數不勝數，估計會成為一個相當大的市場。

例如，在龐大的數據中搜索所需信息時，其重點在于如何制作索引數據。索引數據的總量估計會與原始數據一樣龐大。而且，索引需要經常更新，不適合使用隨機改寫速度較慢的NAND閃存。因此，主要采用的是使用DRAM的內存數據庫，但DRAM不僅容量單價高，而且耗電量大，所以市場迫切需要能夠替代DRAM的高速、大容量的新型存儲器。新型存儲器的候選有很多，包括磁存儲器(MRAM)、可變電阻式存儲器(ReRAM)、相變存儲器(PRAM)等。雖然存儲器本身的技術開發(fā)也很重要，但對于大數據分析，使存儲器物盡其用的控制器和中間件的技術似乎更加重要。而且，存儲器行業(yè)壟斷現象嚴重，只有有限的幾家半導體廠商能夠提供存儲器，而在控制器和中間件的開發(fā)之中，風險企業(yè)還可以大顯身手。

電子組件進入納米等級后，在材料方面也開始遭遇到一些瓶頸，因為原來使用的材料性能已不能滿足要求。最簡單的一個例子，是所謂的閘極介電層材料;這層材料的基本要求是要能絕緣，不讓電流通過。使用的是由硅基材氧化而成的二氧化硅，在一般狀況下這是一個非常好的絕緣材料。

但因組件的微縮，使得這層材料需要越做越薄。在納米尺度時，如果繼續(xù)使用這個材料，這層薄膜只能有約 1 納米的厚度，也就是 3 ~ 4 層分子的厚度。但是在這種厚度下，任何絕緣材料都會因為量子穿隧效應而導通電流，造成組件漏電，以致失去應有的功能，因此只能改用其它新材料。但二氧化硅已經沿用了三十多年，幾乎是集各種優(yōu)點于一身，這也是使硅能夠在所有的半導體中脫穎而出的關鍵，要找到比它功能更好的材料與更合適的制作方式，實在難如登天。

而且，材料是組件或 IC 的基礎，一旦改變，所有相關的設備與后續(xù)的流程都要跟著改變，真的是牽一發(fā)而動全身，所以半導體產業(yè)還在堅持，不到最后一刻絕對不去改變它。這也是為什么 CPU 會越來越燙，消耗的電力越來越多的原因。因為CPU 中，晶體管數量甚多，運作又快速，而每一個晶體管都會「漏電」所造成。這種情形對桌上型計算機可能影響不大，但在可攜式的產品如筆記型計算機或手機，就會出現待機或可用時間無法很長的缺點。

也因為這樣，許多學者相繼提出各種新穎的結構或材料，例如利用自組裝技術制作納米碳管晶體管，想利用納米碳管的優(yōu)異特性改善其功能或把組件做得更小。但整個產業(yè)要做這么大的更動，在實務上是不可行的，頂多只能在特殊的應用上，如特殊感測組件，找到新的出路。

曝光顯影:在所有的制程中，最關鍵的莫過于微影技術。這個技術就像照相的曝光顯影，要把 IC 工程師設計好的藍圖，忠實地制作在芯片上，就需要利用曝光顯影的技術。在現今的納米制程上，不只要求曝光顯影出來的圖形是幾十納米的大小，還要上下層結構在 30 公分直徑的晶圓上，對準的準確度在幾納米之內。這樣的精準程度相當于在中國大陸的面積上，每次都能精準地找到一顆玻璃彈珠。因此這個設備與制程在半導體工廠里是最復雜、也是最昂貴的。

半導體技術進入納米時代后，除了水平方向尺寸的微縮造成對微影技術的嚴苛要求外，在垂直方向的要求也同樣地嚴格。一些薄膜的厚度都是 1 ~ 2 納米，而且在整片上的誤差小于 5%。這相當于在100個足球場的面積上要很均勻地鋪上一層約1公分厚的泥土，而且誤差要控制在 0.05 公分的范圍內。

蝕刻:另外一項重要的單元制程是蝕刻，這有點像是柏油路面的刨土機或鉆孔機，把不要的薄層部分去除或挖一個深洞。只是在半導體制程中，通常是用化學反應加上高能的電漿，而不是用機械的方式。在未來的納米蝕刻技術中，有一項深度對寬度的比值需求是相當于要挖一口 100 公尺的深井，挖完之后再用三種不同的材料填滿深井，可是每一層材料的厚度只有 10 層原子或分子左右。這也是技術上的一大挑戰(zhàn)。

除了精準度與均勻度的要求外，在量產時對于設備還有一項嚴苛的要求，那就是速度。因為時間就是金錢，在同樣的時間內，如果能制造出較多的成品，成本自然下降，價格才有競爭力。另外質量的穩(wěn)定性也非常重要，不只同一批產品的質量要一樣，今天生產的 IC 與下星期、下個月生產的也要具有同樣的性能，因此質量管控非常重要。通常量產工廠對于生產條件的管制，包括原料、設備條件、制程條件與環(huán)境條件等要求都非常嚴格，不容任意變更，為的就是保持質量的穩(wěn)定度。

納米技術有很多種，基本上可以分成兩類，一類是由下而上的方式或稱為自組裝的方式，另一類是由上而下所謂的微縮方式。前者以各種材料、化工等技術為主，后者則以半導體技術為主。以前我們都稱 IC 技術是「微電子」技術，那是因為晶體管的大小是在微米(10-6米)等級。但是半導體技術發(fā)展得非?？欤扛魞赡昃蜁M步一個世代，尺寸會縮小成原來的一半，這就是有名的摩爾定律(Moore's Law)。

大約在 15 年前，半導體開始進入次微米，即小于微米的時代，爾后更有深次微米，比微米小很多的時代。到了 2001 年，晶體管尺寸甚至已經小于 0.1 微米，也就是小于 100 納米。因此是納米電子時代，未來的 IC 大部分會由納米技術做成。但是為了達到納米的要求，半導體制程的改變須從基本步驟做起。每進步一個世代，制程步驟的要求都會變得更嚴格、更復雜。

半導體技術就是以半導體為材料，制作成組件及集成電路的技術。在周期表里的元素，依照導電性大致可以分成導體、半導體與絕緣體三大類。最常見的半導體是硅(Si)，當然半導體也可以是兩種元素形成的化合物，例如砷化鎵(GaAs)，但化合物半導體大多應用在光電方面。

絕大多數的電子組件都是以硅為基材做成的，因此電子產業(yè)又稱為半導體產業(yè)。半導體技術最大的應用是集成電路(IC)，舉凡計算機、手機、各種電器與信息產品中，一定有 IC 存在，它們被用來發(fā)揮各式各樣的控制功能，有如人體中的大腦與神經。

如果把計算機打開，除了一些線路外，還會看到好幾個線路板，每個板子上都有一些大小與形狀不同的黑色小方塊，周圍是金屬接腳，這就是封裝好的 IC。如果把包覆的黑色封裝除去，可以看到里面有個灰色的小薄片，這就是 IC。如果再放大來看，這些 IC 里面布滿了密密麻麻的小組件，彼此由金屬導線連接起來。除了少數是電容或電阻等被動組件外，大都是晶體管，這些晶體管由硅或其氧化物、氮化物與其它相關材料所組成。整顆 IC 的功能決定于這些晶體管的特性與彼此間連結的方式。

半導體技術的演進，除了改善性能如速度、能量的消耗與可靠性外，另一重點就是降低制作成本。降低成本的方式，除了改良制作方法，包括制作流程與采用的設備外，如果能在硅芯片的單位面積內產出更多的 IC，成本也會下降。

所以半導體技術的一個非常重要的發(fā)展趨勢，就是把晶體管微小化。當然組件的微小化會伴隨著性能的改變，但很幸運的，這種演進會使 IC 大部分的特性變好，只有少數變差，而這些就需要利用其它技術來彌補了。

半導體制程有點像是蓋房子，分成很多層，由下而上逐層依藍圖布局迭積而成，每一層各有不同的材料與功能。隨

著功能的復雜，不只結構變得更繁復，技術要求也越來越高。與建筑物最不一樣的地方，除了尺寸外，就是建筑物是一棟一棟地蓋，半導體技術則是在同一片芯片或同一批生產過程中，同時制作數百萬個到數億個組件，而且要求一模一樣。因此大量生產可說是半導體工業(yè)的最大特色 。

把組件做得越小，芯片上能制造出來的 IC 數也就越多。盡管每片芯片的制作成本會因技術復雜度增加而上升，但是每顆 IC 的成本卻會下降。所以價格不但不會因性能變好或功能變強而上漲，反而是越來越便宜。正因如此，綜觀其它科技的發(fā)展，從來沒有哪一種產業(yè)能夠像半導體這樣，持續(xù)維持三十多年的快速發(fā)展。

半導體制程是一項復雜的制作流程，先進的 IC 所需要的制作程序達一千個以上的步驟。這些步驟先依不同的功能組合成小的單元，稱為單元制程，如蝕刻、微影與薄膜制程;幾個單元制程組成具有特定功能的模塊制程，如隔絕制程模塊、接觸窗制程模塊或平坦化制程模塊等;最后再組合這些模塊制程成為某種特定 IC 的整合制程

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