IC如何创新

次微米技术

　　首先我们应该考虑制作这样尺寸的元件是否可能。在这方面主要的限制来自光刻技术──就是把线路设计转换到芯片表面上的过程。过去，光刻技术的进步可以满足元件缩小的要求。目前能够做到的商品化生产的最小线宽大约是0.5微米，而十亿级集积度所需要的金氧半晶体管，它的闸极长度大约是0.2微米。在未来，使用紫外光的光刻技术可以满足这个需求吗？答案是不确定的，不过，无论如何，还有其它几种技术可供选择。

　　其中一种技术，就跟高倍显微镜所用的技术一样。我们不再用光束，而是用微细的电子束。用这种方法，就不需要用光罩了，电路设计图可以存在电脑里，然后电脑就可以把电子束引导到矽芯片表面。用这种方法，电路图形可以直接转换到芯片表面，就像电脑直接在芯片表面用电子束来写一样。这个方法的缺点是必须要让电子束在表面扫描，每个区域都要各自单独的照射。比起用光罩可以让芯片所有面积都同时曝光，这种制程是太慢了，因此也就贵得多。

　　回到我们以前用过的比喻，普通的光刻技术象是用喷桶和印刷底板，而电子束的方法则象是用一根细笔吃力的在画复杂的图案。另一个避免这种问题的可能性，就是保留使用光罩，但是用X光而不是用紫外光。可是，虽然商品化的X光光刻系统已经发展出来了，光罩却有些问题：这些光罩常常是很脆弱的，而且把光罩与芯片对准也是一个问题。

　　有一件有趣而值得注意的事是，二十多年以前，许多人都预言说，普通的光刻技术是无法满足未来需求的。可是到了现在，它仍然是主要的应用技术──前面提到的那些技术只获得了一小部分的市场。我们在不同的场合还会看到这种现象：对于一个问题，虽然可能有许多新的、而且也可能有益的的解决办法，但是可能会被工业界接受的，往往是把现行技术延伸所发展出来的技术。因此，从现在起二十年后，我们可能会发现，光刻技术还是占据绝对优势，也许它还能制作出比预期的还要小得多的细微结构。

　　把图象转换到芯片的技术并不是制造小尺寸元件的唯一问题。当每个元件的尺寸降低以后，微尘颗粒会造成元件失效的机会加大了。同时，因为需要好多次的光刻制程，光罩与芯片精确对准变得非常重要。现行的技术对于这些要求是可以应付裕如的，因此，在制造技术这方面，没有什么理由这种往更小尺寸的进步不能够继续到至少下一个世纪。

　　晶体管尺寸可以缩得多小？

　　缩小元件尺寸会遇到的第二点困难，是关于这些元件本身的：在保持必需的工作性能这个条件下，晶体管的尺寸还可以继续缩减多少？

　　我们将把注意力集中在金氧半晶体管的结构上，因为金氧半晶体管是最适合制作集成电路的，因此拥有最高集积度的集成电路都是用这种元件做成的。

　　减小这些结构的尺寸的规则，或者说按比例缩小这些结构的规则，原则上讲是很直截了当的──所有的尺寸，包括横向的（即顺着芯片表面的）、与垂直的（即垂直于芯片表面的）尺寸，都要缩小一个共同的比例。下面我们要讨论，如果按二分之一的比例缩小的话，这会代表什么意思。前面已经看到了，这会让一个固定面积上能够放得下的元件数目增加为四倍。除此以外，其它的参数又将怎么样？

　　让我们暂时假设，电流与电压都维持跟过去一样大小。每个元件所消耗的功率是电流与转换电压的乘积（转换电压就是：要让元件由一个状态转换到另一个状态时，闸极电压的改变量），因此每个元件所需要的功率仍然是相同的。

　　可是，由于在同一面积上的元件数目增加为四倍，每单位面积的功率也增加成四倍，这会形成一个重大的问题，因为功率会转变成为热，而这热量也增加了同样的倍数。这些多出来的热必须想办法消除掉，否则芯片的温度会增加，直到破坏性的事情发生为止。

　　在目前，一个标准芯片所产生的功率与一个黯淡电灯泡所产生的功率差不多。这听起来好像不是一个什么大数字，但是它实际上比同样面积的电炉丝所发出来的热还要高好几倍。

　　解决这个问题的办法，普通是应用一种所谓"恒定电场标度"（constant field scaling）的方法。让我们花一点时间看看这是什么意思。如果我们从所加的电压来设想，这个电压可以把晶体的能带弄倾斜，那么电场强度就是能带斜率的一种表示。因为源极与漏极之间的距离缩短了一倍，我们需要把电压差降低一个同样的倍数，来维持跟以前同样的斜率。还有一些其它参数，也要根据恒定电场标度的原则来变化。转换电压也以同样的比例缩小，流过元件的电流也是一样。因此，每个元件所消耗的功率减低了四倍。

　　这是很理想的，代表每单位面积所产生的热，在元件尺寸缩小的时候，仍然维持固定。

　　这些听起来都很不错。可是如果因为某种原因，有一个参数不能依比例缩小的时候，问题就发生了。举例来说，降低转换电压常常不是我们所希望的，因为这会增加系统受到杂讯影响的可能性。这句话的意思是说，即使这个元件本来应该是在"关"的状态，但是电压的一个小幅波动，一下子就会让元件转到"开"的状态。这是很不理想的，特别是在记忆电路里，这样的变化会造成记忆单元内容的改变。

　　保持这个电压不变，或者至少在它降低的时候，让它降低的倍数小于二，会减轻这个问题；但是这又让我们回到散热的问题。