解析45NM纳米CPU制作工艺

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1、解析45NM纳米CPU制作工艺CPU的发展史也可以看作是制作工艺的发展史。如果想要提高CPU的性能，那么更高的频率、 更先进的核心以及更优秀的缓存架构都是不可或缺的，而此时自然也需要以制作工艺作为保障。 几乎每一次制作工艺的改进都能为CPU发展带来最强大的源动力，无论是Intel还是AMD，制作 工艺都是发展蓝图中的重中之重，如今处理器的制造工艺已经走到了 45纳米的新舞台，它将为 新一轮CPU高速增长开辟一条康庄大道。很多用户都对不同的CPU的制作工艺非常熟悉，然而如果问他们什么是制作工艺，65纳米、45 纳米代表的是什么，有什么不同，这些问题他们未必能够准确地解答，下面我们就一起来详 细了

2、解一下吧。一、铜导互连的末代疯狂：45 纳米制作工艺几乎每一次制作工艺的改进都会给CPU发展带来巨大的源动力。以如今炙手可热的Pentium4 为例，从最初的0.18微米到随后的65纳米，短短四年中我们看到了惊人的巨变。如今，45纳 米制作工艺再一次突破了极限，这也被视为是铜导互连技术的最终畅想曲。1制作工艺的重要性早期的微处理器都是使用0.5微米工艺制造出来的，随着CPU频率的增加，原有的工艺已无 法满足产品的要求，这样便出现了0.35微米以及0.25微米工艺，不久以后， 0.18微米、 0.13 微米以及90纳米制造的处理器产品也相继面世。另外一方面，早期芯片内部都是使用铝作为导 体，但是

3、由于芯片速度的提高，芯片面积的缩小，铝线已经接近其物理性能极限，所以芯片制造 厂商必须找出更好的能够代替铝导线的新的技术，这便是我们常说的铜导技术。铜导线与铝导线 相比，有很大的优势，具体表现在其导电性要优于铝，而且电阻小，所以发热量也要小于现在所 使用的铝，从而可以有效地提高芯片的稳定性。我们今天所要介绍的65纳米技术也是向着这一 方向发展。Intel在IDF 2007上骄傲地展示45nm工艺光刻蚀是目前CPU制造过程当中工艺非常复杂的一个步骤，其过程就是使用一定波长的光在 感光层中刻出相应的刻痕，由此改变该处材料的化学特性。这项技术对于所用光的波长要求极为 严格，需要使用短波长的紫外线和大

4、曲率的透镜，刻蚀过程还会受到晶圆上的污点的影响。每一 步刻蚀都是一个复杂而精细的过程，设计每一步过程的所需要的数据量都可以用10GB的单位来 计量，而且制造每块处理器所需要的刻蚀步骤都超过20步。制作工艺对于光刻蚀的影响十分巨 大，这也就是CPU制造商疯狂追求制作工艺的最终原因2何谓45 纳米制作工艺我们通常所说的CPU纳米制作工艺并非是加工生产线，实际上指的是一种工艺尺寸，代表在 一块硅晶圆片上集成所数以万计的晶体管之间的连线宽度。按技术述语来说，也就是指芯片上最 基本功能单元门电路和门电路间连线的宽度。以90 纳米制造工艺为例，此时门电路间的连线宽 度为 90纳米。我们知道， 1 微米相当

5、于1/60头发丝大小，经过计算我们可以算出， 0.045微米 （45 纳米）相当于1/1333头发丝大小。可别小看这1/1333头发丝大小，这微小的连线宽度决 定了 CPU的实际性能，CPU生产厂商为此不遗余力地减小晶体管间的连线宽度，以提高在单位面 积上所集成的晶体管数量。采用 45纳米制造工艺之后，与65纳米工艺相比，绝对不是简单地令 连线宽度减少了 20 纳米，而是芯片制造工艺上的一个质的飞跃。Intel展示45纳米工艺的晶元如今最新的45纳米制造工艺可以在不增加芯片体积的前提下，在相同体积内集成多将近一 倍的晶体管，使芯片的功能得到扩展。毫无疑问，信位宽度越小，晶体管的极限工作能力就越

6、大， 这也意味着更加出色的性能。对于Core架构的Intel处理器而言，更高的主频有着很大的意义， 而且新的制作工艺令集成更多缓存变得轻而易举。下表是历代微处理器与制作工艺发展之间的关 系：微处理器制作工艺工作主频中位数二级缓存404860.5微米50MHz无Pentium0.35微米133MHz无（主板外置）PentiumII0.25微米333MHz512KB （芯片外置）PentiumIII0.18微米750MHz256KBPentium4 (Northwood)0.13微米2.6GHz512KBPentium4 (Prescott)90纳米3.0GHz2MBCore 265纳米预测3.0

7、GHz2 4MBPenryn 45 纳米45纳米预测4.0GHz2 8MB首次采用 0.35 微米制作工艺的 Pentium 让人记忆犹新3第三代单轴应变硅隧道此次Intel在启用45纳米制作工艺时还引入了极为重要的改进型SOI变形硅技术，也就是 第三代单轴应变硅隧道，这对于更好地改善电气性能有着极大的帮助。CPU所集成的晶体管是一 个小开关，决定了电流的通与断，而在现实世界中，我们无法完全地控制电流，必须借助一些附 加技术。SOI （Silicon-on-insulator,绝缘体硅片）就是为了防止泄漏电流和停止电流活动而 设计的，变形硅则刚好相反，是为了驱动电流流动而设计的。事实上,SOI

8、与变形硅技术总是需 要同时使用。第三代单轴应变硅隧道将待变形硅片放在一种特殊的硅锗底基上，这种硅锗底基的原子间距 离比待变形硅片原子间距离大，受底基原子作用，硅片中的原子也将向外运动，彼此间拉开距离， 从而减少对电流的阻力。 SOI 变形硅有效地扩展了晶体管通道区域，把硅直接放到底层的顶部， 可以预留更多的空间，更好地扩展到底层上，使上面的硅原子直接和低层相匹配，延伸硅元素到 合适的通道中。硅原子有更多的空间后，电阻减少了，增加了电流通过的数量。最终结果是使电 流流动强度提咼了 1015%，或者使当前的电流更加顺畅，从而提咼了晶体管的运行速度，提咼 了芯片的工作频率。445 纳米工艺的巨大价值

9、可以很明显地看出来，每次提高制作工艺都能够让主频大幅度提升，而二级缓存的容量也几 乎是以倍增的方式来回报更先进的制作工艺。提升制作工艺意味着巨额的资金投入，改造一条芯 片生产线往往需要花费数十亿美金，如果没有庞大的财力，将无法完成这样的任务。然而任何产 业都是高投入带来高回报，一旦彻底掌握先进的制作工艺，CPU等产品的制造成本也能下降，反 而带来更大的盈利空间。对于同样晶体管规模的半导体芯片，新工艺意味着更小的核心面积，而 芯片的制造成本与核心面积的平方基本成正比。几乎在每次制作工艺的改进过程中，Inte都领先了一步，IBM、摩托罗拉、AMD、TI、富士 通、台积电、联电等半导体企业总是落后半

10、拍。目前Intel已经成功地将45纳米应用于现实产 品，而AMD和台积电等其它厂商都仅仅停留在“纸上谈兵”的层面。对于AMD而言，目前仅仅刚 刚过渡到65纳米制作工艺，45纳米的暂缓使用将会再次使之无法赢得与Intel处理器之间的主 频大战，从而令性能比拼处于相对被动的局面。然而目前紧盯65纳米制作工艺的不仅仅是Intel， 包括AMD、VIA、摩托罗拉等CPU制造商也在不断努力，富士通、台积电、联电等专业代工厂商 更是十分努力。从当前的发展趋势来看，第一款65 纳米处理器将很可能出现在2007年年底或者 2008年年初，而 AMD 则需要到 2008年第二季度才会跟进。二、制程与功耗的矛盾：

11、45纳米工艺遭遇漏电危机制作工艺对于CPU微处理器的重要性不言而喻，无论是提高主频还是集成更多的缓存又或是 改进新的核心，这些都需要更为强大的制作工艺作为支撑。一代又一代的微处理器发展史几乎可以看作是制作工艺的发展史。进入90 纳米时代之后， 业界一度停止发展的脚步，其中晶体管漏电便是主要原因之一。如果无法彻底解决这一问题，那 么今后微处理器的发展之路将会布满荆棘。1晶体管连线宽度：90纳米后出现危机我们通常所说的CPU纳米制作工艺并非是加工生产线，实际上指的是一种工艺尺寸，代表在 一块硅晶圆片上集成所数以万计的晶体管之间的连线宽度。按技术述语来说，也就是指芯片上最 基本功能单元门电路和门电路

12、间连线的宽度。以90 纳米制造工艺为例，此时门电路间的连线宽 度为90纳米。CPU生产厂商不遗余力地减小晶体管间的连线宽度，以提高在单位面积上所集成 的晶体管数量。但是，晶体管连线宽度的降低最终容易导致晶体管体积过小，此时也就是我们所 说的“漏电”问题。以当前的晶体管生产工艺，如果体积太小，那么很有可能在“关闭”状态下 仍然是通电的，这样就会带来绝对不可接受的电路错误。进入90纳米时代后就开始遭遇漏电危机晶圆2CPU 功率提升：晶体管漏电带来尴尬 晶体管漏电所带来的危机不仅仅是电路错误。随着芯片中晶体管数量增加，原本仅数个原子 层厚的二氧化硅绝缘层会变得更薄进而导致泄漏更多电流，随后泄漏的电流

13、又增加了芯片额外的 功耗。事实上，不仅仅是90 纳米制作工艺遇到晶体管漏电的难题， 65纳米和45 纳米工艺更是 面临艰巨的挑战。尽管晶体管漏电会导致芯片电路错误，但是当漏电现象控制在一定范围内之时， 其实并不影响CPU的整体工作。不过可以肯定的是，晶体管漏电至少造成明显的功耗提升，这不 仅仅是晶体管本身带来额外的发热量,还包括CPU为了解决信号模糊问题而不得不提高的核心电 压。我们可以发现，从0.13微米到0.09微米，不少CPU并未降低核心电压，其中一部分原因就 是为了解决晶体管漏电问题。可是，当CPU电压无法降低之时，其功耗是很难得到控制的，最典 型的例子莫过于AMD Athlon 64

14、。同样是Socket 754接口的0.09微米工艺，移动平台的炫龙通 过1.0V电压可以实现25W TPD功耗，而桌面平台的Athlon 64却高达62W。尽管这其中有工作主频和核心步进之间的区别，但是造成如此大的差距，核心电压的因素绝对不可忽视。至于Intel 的Pentium D,在改用65纳米工艺之后，核心电压和功耗均未明显下调。毫无疑问，未来CPU 的制作工艺改革必须建立在降低工作电压的基础上，而这也逼迫CPU厂商通过其它途径来解决晶进入45纳米时代之后，此时所面临的挑战更为艰巨。晶体管漏电至少造成明显的功耗提升， 这不仅仅是晶体管本身带来额外的发热量，还包括CPU为了解决信号模糊问题

15、而不得不提高的核 心电压。为此，Intel在其45纳米工艺中融合了高介电薄膜(High-K Dielec tries )和金属门 集成电路，有效解决了这场漏电危机。Higti-k/Metal GateKey Int&l breakthroughs; Right higb-k.material dielectric CompatiMe electrode maMrial SucciMtgration of both TargeM far MKnm pnK* in 200FTransistor benftu； Much raster Fr coolar高介电薄膜解决漏电问题尽管最新的制作工艺还没有

16、余地来解决高功耗问题，但是Intel将会在新处理器上推出被称 为“Deep Power Down”的技术，实现更低的C6节电状态。新的C6状态可以将处理器的核心电 压降至其所采用制程技术的极限，在该状态下除了降低处理器核心频率以外还将会关闭所有的高 速缓存。在这种情况下，其功耗非常低，并且将会在新一代Penryn处理器上得到应用。三、铜导互连技术：艰难中的挣扎目前的Intel Core2以及AMD K8处理器都采用金属铜导互连技术，更多的金属铜线互连可 以优化电路板并提高制造密度，从而大幅度降低成本的同时为性能提升开辟道路。In tel 45纳 米制作工艺在原先的65纳米基础上更进一步，采用了

17、10层铜互连技术，使硅晶圆上的晶体管集 成度再次提高。经过近几年的发展，铜工艺已经日臻成熟，进入量产阶段。但是更多的铜导互连 层也会导致互联电路部分的信号延迟，此时Intel选择低介电常数的low k材料作为介电材料。 单纯采用铜来代替铝作为互联材料可以降低信号延迟大约40%,而新型low k材料工艺能够在此 基础上进一步使信号延迟降低20左右，只不过这也控制晶体管漏电又是一对矛盾。十分尴尬的是，此次Intel似乎已经用足了铜导互连技术最后的潜力。随着密度的增加，信 号延迟问题变得越来越难以解决，而且即便是最新型的lowk材料也难以满足未来的需求。在这 种状况下，寻找新的解决方案成为当务之急。

18、目前，多家厂商已开始开发光互连技术，包括IBM 公司和Agilent Technologies公司都已经收到了美国国防部高级研究项目机构3000万美元的资 助，而Intel也在紧锣密鼓地展开相关技术开发。光互连是一种利用各种光传输介质把计算机系 统内各部件或各子系统连接起来并通过光来高速传递信息的技术，可以看作是光学与物理学以及 IC制造的交叉性新领域。事实上，光互连并不像生物芯片或是其它技术那样遥远，在2010年后 将会成为主流发展趋势。制作工艺提升的最终目的与光刻蚀十密切相关，然而如果能够改变光刻蚀这一过程，那么这 将是一条巧妙的发展捷径。LADI是目前唯一在研发上有较大进展的取代技术，已

19、经成为芯片制 造商的关注焦点。和传统的光刻蚀相比，LADI更像是用于生产光碟的方法。它通过电子流蚀刻 方法在一块透明的石英晶体上刻上极微小的反向图案，再将该石英晶体和一块硅晶片紧紧靠在一 起，然后用高能量紫外激光照射，由于石英能够让308纳米波长的紫外线激光通过，硅晶片就会 吸收该激光的能量并受热融化。这样激光就透过石英并融化了硅晶片最上层几纳米到几十纳米厚 度的硅，等于无形中大幅度提升了制作工艺。当硅晶片融化到指定深度的时候，石英晶体就成为了一个铸造模具，比水的流动性好3倍的 液态硅迅速地填充到石英晶体表面微细结构的空隙里并形成既定的图案。当把石英晶体移开以后， 这些来自石英晶体的电路和结构

20、图案将被保留下来，用来组装处理器芯片的精微晶体管。整个 LADI工序只需要不到250ns的时间，比眨一下眼睛都快了 100万倍，由于LADI不再需要在硅层 镀上腐蚀性的化学药剂，因此这个过程就变得非常环保而且更节约成本。不过可以肯定的是，目 前LADI技术还比较超前，只有当光刻蚀技术配合30纳米发展到极限之后，它才会正式进入实质 性应用。四、写在最后静音PC需要低发热的配件据了解，45 纳米工艺处理器样品已经出炉，离量产的日子也不远，一些厂商已经收到了45 纳米样品进行测试，测试结果还是令人满意的。在今后越来越强调功耗性能比概念的前提下，更 新的制作工艺无疑会更受PC用户的欢迎，毕竟在强调环保，倡导能源节省的今天，像火炉般高 热的PC将不再受到人们的称道，低热、高性能、安静的PC才是正道