45纳米时代呼之欲出 本土跟进面临多重难题

微电子技术踏着摩尔定律的足迹终于走到了45纳米。本月中旬，英特尔公司发布了16款采用45纳米工艺生产的服务器及高端PC处理器，标志着45纳米集成电路产品正式投入到应用领域。英特尔还宣布，目前该公司已有三条12英寸生产线具备生产45纳米芯片的能力。预计到2008年第三或者第四季度时，英特尔的45纳米产品在数量上将可能超过65纳米产品。在英特尔的带动之下，其他高端厂家必将陆续跟进，“45纳米时代”已是呼之欲出。

新技术具有里程碑意义

英特尔的共同创始人戈登?摩尔认为，此次英特尔新产品的推出，是自从多晶硅栅MOS晶体管问世以来，晶体管工艺制程技术中的一个最大的突破，英特尔采用新材料和新的器件结构，是CMOS工艺的又一里程碑。

事实上，目前具备45纳米工艺生产能力的并不只是英特尔一家，半导体产业观察家、美国应用材料公司高级顾问莫大康先生在接受《中国电子报》记者采访时表示：“IBM、TSMC、松下等厂家都已具备45纳米工艺生产能力。英特尔45纳米芯片的伟大意义在于，它率先改变了CMOS的工艺结构，将传统的‘二氧化硅绝缘层+多晶硅栅’改为了‘高K介质+金属栅’的结构，半导体产业已经进入‘材料推动革命’的时代。”

微电子业界通常是通过缩小器件的特征尺寸(Critical Dimension，CD)来提升产品的性能，因为体积更小的晶体管会使器件拥有更快的运行速度和更低的发热量。其实在晶体管中栅极和栅介质也非常重要，它们的作用就是在硅底层通道和栅极之间产生较高的场效应，同时又要求栅介质是完美的绝缘体，防止电流通过栅介质发生泄漏。由于二氧化硅作为栅极绝缘材料在65纳米工艺时已逼近物理极限，如果再继续降低二氧化硅绝缘层的厚度，将导致漏电及功耗急剧上升。英特尔在45纳米处理器上的高K工艺，就是用更高介电常数的二氧化铪(HfO2)取代传统的低介电常数的二氧化硅，从而解决漏电问题。“高K介质+金属栅”结构在增加器件密度的同时，有效地增强了器件的性能，降低了功耗。英特尔45纳米产品晶体管密度将是65纳米产品的两倍，其漏电量降为原来的10%，运行时的耗电量减少了30%，速度提高了20%。并且，在将来工艺提升到32纳米、22纳米乃至16纳米水平的时候，仍然可以使用这种材料和结构。

新工艺带来的材料难题并不仅英特尔一家遇到，但其他公司都把“高K介质+金属栅”结构定位为32纳米产品将要使用的技术。“只有英特尔在45纳米阶段就先行一步，扫清了工艺技术中的一大障碍，再次扮演了行业领头羊的角色。”莫大康先生评价道。

产品升级影响产业格局

45纳米产品投入市场，对于集成电路产业而言具有深远的影响。首先是工艺研发成本进一步提高，研发费用已高达50亿美元至100亿美元，掩模版的费用也在300万美元以上。如此之高的研发成本让许多传统的IDM厂商望而却步，纷纷寻求代工合作或者联合研发，其中尤以三大半导体巨头IBM、英飞凌和三星与新加坡特许半导体结成的联盟最具震撼力。在代工业界，由于TSMC的霸主地位难以撼动，其在45纳米技术的比拼中也已处于领先地位，其竞争对手倘若不能在技术水平上迅速跟进，将会面临失去部分高端客户的危险。

新工艺的推出也给IC设计企业提供了新的机遇，因为更高的加工精度为产品在功能和性能两个方面都提供了较大的提升空间，从而更有效地满足消费者的需求。但“硬币的另一面”也不容忽视，IC设计企业同样也面临成本上升的问题。正如Altera公司技术开发副总裁Mojy Chian先生在接受《中国电子报》记者采访时所指出的那样，在IC设计导入45纳米工艺后，器件开发将面临泄漏管理、电压饱和、变异管理、逆温现象以及更严格的设计规则等一系列的挑战。这些问题并非不能解决，但却必然会增加开发成本。此外，45纳米工艺的导入，对IC设计公司与晶圆代工厂之间的协作也提出了更高的要求。中芯国际执行顾问罗复昌博士向《中国电子报》记者介绍说：“到了45纳米阶段，代工厂的设计规则较之上一阶段会有相当大的调整，DFM(可制造性设计)已经成为了必需的技术手段，代工厂要在研发的起步阶段就与设计公司合作，要在设计规则、电性参数指标、可靠性指标等方面与设计公司达成共识。”

对半导体设备产业而言，工艺技术的提升所引发的生产线的更新换代肯定会使设备制造业在一定程度上受益，但市场的增长不会发生革命性的突破。SEMI全球副总裁、中国区总裁丁辉文先生告诉《中国电子报》记者，65纳米工艺的设备同样可以用于45纳米芯片的生产，所不同的只是生产工艺发生了变化。而莫大康先生也表达了类似的观点：在45纳米工艺阶段，英特尔仍然将采用193纳米干法光刻机，只是加上了二次光刻及OPC技术。

本土厂家跟进需政策支持

面对45纳米，中国内地的IC制造业将作何抉择？莫大康先生认为，目前中国内地最先进技术还处于65纳米水平，且尚未量产，与45纳米、“高K介质+金属栅”结构相比还差两个台阶；与此同时，中国的逻辑电路设计水平还停留在0.13微米的阶段，IC设计公司最高的设计水平也只是90纳米，因此，即便工艺制造技术能实现飞跃而与国际顶尖企业并驾齐驱，也会面临缺乏产品市场的尴尬局面。

当然，中国内地的IC制造企业不会因此而减缓迈向更高工艺的步伐。罗复昌博士表示：“中芯国际45纳米技术的研发已经在准备中，已经做了大量的前期研究工作。中芯国际将会在量大、面广、成本相对较低的产品(比如通讯产品、移动终端等)率先使用45纳米工艺。”

中国企业在筹划迈向先进工艺的同时，更要脚踏实地做好眼前的事。“目前中国内地的65纳米技术还是空白，尽管中芯国际做了许多工作，有望在明年开始量产，但是要广泛应用，还有大量的工作要做。未来几年，65纳米产品还将是经济效益的重要来源，并且，做好65纳米也是开发45纳米的前提和基础。因此，我们在关注45纳米的同时，要努力把65纳米技术做通、做好，并使其得到广泛应用。”罗复昌博士补充道。

半导体技术的提升对企业的研发资金和人才提出了极大的挑战。中国内地的半导体企业总体来讲实力相对弱小，规模不够大，所能在研发上投入的资金量小，一个企业即便是将销售收入的10%投入研发，其资金量也不足以与国外的大公司竞争。罗复昌博士强调：“中国内地集成电路产业的发展需要国家政策的倾斜和资金的支持。具体讲：一是在资金方面政府要支持，要大量投入；二是在人力方面，实施产学研用结合，发挥研究机构的人才优势，还要把设计公司纳入研发的圈子，从而增加成功的可能性。”