半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明讓電腦工業(yè)發(fā)生了一場(chǎng)革命，對(duì)于許多其它領(lǐng)域也有長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。不過，電子元件尺寸和價(jià)格的大幅度降低，是由于后來(lái)的一項(xiàng)發(fā)展，也就是集成電路的發(fā)展而得來(lái)的。如果沒有這項(xiàng)發(fā)展的話，那么我們現(xiàn)在許多視為當(dāng)然的應(yīng)用，象是掌上型計(jì)算機(jī)、個(gè)人電腦，以及從洗衣機(jī)到兒童玩具里面無(wú)處不在的電子器件，都將是不可能的。這個(gè)進(jìn)步的幅度之大難以想象。

才不過是三十年前，電路都是由單獨(dú)分立的元件所組成的，每個(gè)元件都大約有幾毫米長(zhǎng)。今天，可以在指甲大小的矽芯片上，放進(jìn)幾百萬(wàn)個(gè)元件，每個(gè)元件的尺寸是以微米來(lái)計(jì)算的。微米是長(zhǎng)度的單位，等于一毫米的千分之一。這么小的線路是怎么做成的？在碰到基本的限制之前，它們還能繼續(xù)小下去多少？這是本章所要討論的兩個(gè)主要問題，但是我們首先必須問一個(gè)更基本的問題：什么是集成電路？

從普通電路到集成電路

要回答這個(gè)問題，需要先看一下普通的電路。舉例來(lái)說(shuō)，如果我們打開一個(gè)三十年前的音響擴(kuò)音器，就會(huì)看到這種電路。在一般情況下，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有一大堆電阻器、一些電容器、電感器和二極管，以及少數(shù)的雙極型晶體管。所有這些元件都放在一個(gè)線路板上，每個(gè)元件之間用電線相連，并且用一點(diǎn)焊料跟線路板連起來(lái)。

與此相對(duì)的，如果我們撬開一個(gè)集成電路的封裝（package），會(huì)發(fā)現(xiàn)一些很不相同的東西。它比線路板小得多了，因此我們需要一支放大鏡，甚至一臺(tái)顯微鏡，來(lái)認(rèn)出每個(gè)元件，即使是這樣，對(duì)于沒有經(jīng)過訓(xùn)練的人來(lái)說(shuō)，還是很難認(rèn)出任何特別的元件，因?yàn)樗鼈儾⒉幌窨s小了的分立元件。集成電路的每個(gè)單元基本上都座落在二維平面上，也就是芯片的表面，由沉積在表面的金屬線連在一起。因此，這整個(gè)結(jié)構(gòu)是平面的。這對(duì)這些元件有什么樣的影響？

其中有一個(gè)限制是關(guān)于電感器的，普通的電感器是用圓筒形的線圈做成的，在集成電路上，不容易以適當(dāng)?shù)男问桨堰@樣的電感器做出來(lái)。這就表示我們不能把一個(gè)用分立元件做成的電路設(shè)計(jì)拿過來(lái)，簡(jiǎn)單的把它用集成電路的形式重新做出來(lái)。

不過，這也不是我們想做的，因?yàn)榧呻娐放c分立電路是基于不同目的而設(shè)計(jì)的。就如前一章最后所說(shuō)的，分立的放大器線路是一種類比系統(tǒng)，許多電感器和電容器都是因?yàn)橐档头糯笠鸬氖д娆F(xiàn)象而使用的。在數(shù)字系統(tǒng)中，這部分的電路是不需要的。因此不論怎么樣，我們也會(huì)料到電感器和電容器將會(huì)用得很少。很幸運(yùn)的，甚至證明可以把電感器完全省掉。

運(yùn)用一些智能，就可以在平面上把電容器和電阻器做出來(lái)，就像雙極型晶體管可以用平面工藝的形式做出來(lái)一樣。不過，這樣做往往要用到相當(dāng)大的表面積。

最適宜用于集成電路的元件是金氧半晶體管。這個(gè)元件的操作原理應(yīng)用到表面效應(yīng)，可以很容易的把所有電接觸都從表面上引出來(lái)。在占用芯片表面積方面，它也是非常有效率的。這件事有很大的重要性，因?yàn)檫@跟一個(gè)芯片上能夠容納多少元件直接有關(guān)。事實(shí)上，由于金氧半晶體管在集成電路上所占的面積比電阻器來(lái)得小，用金氧半晶體管來(lái)取代電阻器是很常見的。

我們因此知道，集成電路與用分立元件做出來(lái)的電路很不相同。特別是，在分立電路中只有在必要的時(shí)候才會(huì)用到晶體管，因?yàn)橹圃炀w管比制造電阻器和其它的零件來(lái)得貴，而在集成電路中，晶體管是最常見的元件，因?yàn)樵某杀臼且赃@個(gè)元件所占的芯片表面積來(lái)決定的。

制作光罩

我們要怎么樣才能做成一個(gè)集成電路？這項(xiàng)工作的起點(diǎn)就是先要設(shè)計(jì)電路。這可能是一串很長(zhǎng)的過程。設(shè)計(jì)一個(gè)有著上百萬(wàn)個(gè)晶體管的集成電路，就像要從頭設(shè)計(jì)一座中等城市，所寫的計(jì)畫書要詳細(xì)到每棟房子的那種精細(xì)程度一樣。不過，現(xiàn)在有許多電腦軟件可以協(xié)助設(shè)計(jì)。

當(dāng)設(shè)計(jì)完成了之后，實(shí)際的生產(chǎn)就可以開始了。第一個(gè)階段就是制作“晶圓”（wafer），晶圓是一塊薄的硅晶體，一般厚度小于0.5毫米，直徑大約為20厘米。這種晶圓是由特別純的硅所制成的，在這樣的矽中再摻進(jìn)某一種雜質(zhì)，比如說(shuō)p型的雜質(zhì)。

下一步就是把集成電路的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成為芯片表面實(shí)際的電路。這項(xiàng)技術(shù)與我們把一個(gè)復(fù)雜的彩色圖案轉(zhuǎn)印到一張白紙上很類似。我們首先定義清楚圖形中紅色的部分，然后做一個(gè)雕花的版子，版子所開的窗口相當(dāng)于我們定義的面積。如果把版子放在白紙上面，就可以很容易的把紅漆噴在整個(gè)表面上。這樣的程序可以重復(fù)對(duì)不同的顏色使用，直到我們成功的復(fù)制了這整個(gè)圖案。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：一旦做出來(lái)這個(gè)雕花板子，就可以不費(fèi)什么力氣的把這個(gè)圖案重復(fù)制作出來(lái)。

同樣的，集成電路的設(shè)計(jì)也必須先細(xì)分為一系列的步驟，每個(gè)步驟都需要一個(gè)特別的制程。讓我們細(xì)看一下這些制程其中的一個(gè)。舉例來(lái)說(shuō)，我們可以先定義所有需要制成n型區(qū)的面積。接著把這個(gè)大型的電路設(shè)計(jì)圖照相，然后縮小到需要的尺寸（我們可以把這種制程看成是平常放大一張照片的反向程序）。因?yàn)榭s小后的電路圖案邊長(zhǎng)大約是幾毫米而已，只占一片晶圓表面積的一小部分，因此這個(gè)圖案可以多次復(fù)制，直到把整個(gè)晶圓都布滿。

這個(gè)完成的圖件叫做“光罩”（mask），在光罩上可以把好幾百個(gè)同樣線路的圖象排在一起。在后面的制程中，所有這些線路都是同時(shí)制作的──這是大量生產(chǎn)的一個(gè)絕佳事例。

光刻技術(shù)

我們現(xiàn)在要討論矽晶圓的表面。首先在一具充滿氧氣環(huán)境的爐管中把矽晶圓的表面氧化。這就在晶圓表面形成了一層二氧化矽，這跟金氧半晶體管的閘極絕緣層是同樣的材料。在這上面，再放一層光阻，光阻是一種對(duì)紫外光敏感的材料，它的功能像照相機(jī)的感光片。把光罩放在晶圓表面，然后用紫外光照射。當(dāng)這個(gè)“照片”顯影的時(shí)候，那些沒有照射到的光阻就會(huì)洗掉了，在表面留下這個(gè)光罩的圖案。

這個(gè)制圖過程的最后一步是選擇性的把氧化層腐蝕掉，而把下面的矽表面顯露出來(lái)。做法是把矽晶圓浸在一種酸液中，這種酸液會(huì)侵蝕氧化層，但是不會(huì)侵蝕硬化了的光阻。如此一來(lái)，這些沒有保護(hù)的氧化層就被腐蝕掉了，而新顯現(xiàn)出來(lái)的矽表面就相當(dāng)于光罩上所定義的面積。這種圖形轉(zhuǎn)換的技術(shù)就叫做“光刻技術(shù)”。這樣的制程在集成電路的制作過程中會(huì)重復(fù)許多次，一般來(lái)講，每個(gè)不同的制程就要做一次。

摻雜、測(cè)試、封裝

定義過晶圓表面的圖形以后，就要進(jìn)入制程的步驟了。比如說(shuō)，要把這些區(qū)域變成n型區(qū)的話，我們必須引進(jìn)施主原子。因?yàn)槲覀兗僭O(shè)晶圓原來(lái)有一些受主雜質(zhì)，有些引進(jìn)的電子會(huì)與已經(jīng)存在的電洞復(fù)合，這個(gè)過程叫做“補(bǔ)償”（compensation）。我們因此必須引進(jìn)足夠的施主原子，才能讓電子成為多數(shù)。

做這一步有兩種主要的方法。一種是把晶圓放在爐管中，爐管里充滿著由適當(dāng)施主原子所組成的氣體。在大約攝氏一千度左右的溫度下，這些施主原子可以緩慢的擴(kuò)散進(jìn)入暴露的矽。另外一種方法是“離子布植”，把這些施主雜質(zhì)加速到很高的速度，然后打入晶圓。在這種情形，這個(gè)氧化層必須厚到可以確保這些離子不會(huì)穿過氧化層到達(dá)下面的硅。

可能還會(huì)有一些其它的制作過程，每一次都會(huì)有一個(gè)新的氧化層與新的光阻層。最后一步是在氧化層中開一些小孔，來(lái)做電接觸。這些接觸是用沉積薄層金屬來(lái)完成的，通常是用鋁。氧化層的絕緣性質(zhì)在此也是很重要的，保證只有在矽暴露的地方才會(huì)有電接觸。

最后完成的晶圓包含幾百個(gè)相同的集成電路，每個(gè)集成電路一般都有幾十萬(wàn)個(gè)元件。可是，并不是所有的這些集成電路都會(huì)正常運(yùn)作。即使是很小的缺陷在矽晶圓上，也會(huì)讓一些元件失效。對(duì)于制作這些結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，干凈也是非常重要的。為了獲得干凈的制作環(huán)境，集成電路制造廠付出了巨大的心力，但是即使是這樣，只要還留有幾微米大小的塵埃也會(huì)污染電路。因?yàn)閴m埃顆粒的尺寸與連結(jié)元件的金屬聯(lián)機(jī)寬度是差不多的，只要一粒這樣的塵埃就可以把聯(lián)機(jī)弄斷，使得整個(gè)電路失效。

因此，每個(gè)集成電路都需要用自動(dòng)程序測(cè)試過。那些通過測(cè)試的才可以封裝起來(lái)使用，而那些失效的只有丟掉了，修理這些集成電路是不經(jīng)濟(jì)的。

雙極型晶體管的難題

就像我們前面說(shuō)過的，金氧半晶體管與集成電路元件所需要的平面工藝是最為配合的了。只需要一次摻雜步驟就可以制造兩個(gè)小n型區(qū)，這兩個(gè)區(qū)域就可以做為源極與漏極。再于兩者中間區(qū)域的氧化層表面做一個(gè)電接觸，就做成了這個(gè)元件的閘極區(qū)。與此相比，雙極型晶體管的制程比較復(fù)雜。我們?cè)诤竺娴恼鹿?jié)會(huì)看到，這主要是由于雙極型晶體管依靠的是少數(shù)載子的躍遷。

我們自然可以像制作金氧半晶體管一樣，簡(jiǎn)單的做兩個(gè)小n型區(qū)，然后做成一個(gè)單獨(dú)的雙極型晶體管。可是當(dāng)我們要做與這個(gè)晶體管接近的其它雙極型晶體管的時(shí)候，問題就來(lái)了：沒有辦法防止一個(gè)晶體管射極的電子，跑到另一個(gè)晶體管的集極去。

為了防止這樣的事，我們要想辦法把每個(gè)晶體管隔絕起來(lái)。一般做成這項(xiàng)工作需要兩個(gè)或更多的步驟。我們似乎可以先把p型晶圓上一個(gè)較大、較深的區(qū)域用施主原子來(lái)?yè)诫s，然后在這個(gè)區(qū)域中，引進(jìn)兩個(gè)小的p型區(qū)來(lái)形成射極和集極。（自然這會(huì)形成一個(gè)pnp晶體管。如果我們要像以前一樣做成npn晶體管，那就必須從n型晶圓開始，而且每一步驟都用相反的摻雜原子。）

不過，這仍然不是一個(gè)很好的安排方式，因?yàn)殡p極型晶體管的基極區(qū)必須非常狹窄，兩個(gè)p型區(qū)必須靠得很近。較好的辦法是像圖5.2所示。在這種情形，需要三次摻雜的制程，得到逐漸減小的島型區(qū)域，而且鄰近的摻雜種類要彼此不相同。在這種情形下，中間的小n型區(qū)是射極，p型區(qū)是基極，而最外面的n型區(qū)是集極。這種元件叫做“垂直”式的元件，因?yàn)殡娏鞯姆较蚺c晶圓表面是垂直的。

很清楚的，在這種情形，一個(gè)晶體管基極的電子不會(huì)到達(dá)另一個(gè)晶體管的集極。不過，這樣的結(jié)構(gòu)所需要的表面積比類似的金氧半晶體管要多，而且需要遠(yuǎn)為復(fù)雜的制程。這些因素連起來(lái)，使得雙極型集成電路比類似的金氧半集成電路價(jià)格要貴很多。

增加ＩＣ集積度

把電路集合起來(lái)有許多好處，其中有一些我們?cè)诒緯_始的地方已經(jīng)簡(jiǎn)短敘述過了。其中一個(gè)就是可靠度的改進(jìn)，因?yàn)榧呻娐防锩娴碾娊佑|，比起把分立元件焊接在線路板上，是遠(yuǎn)為可靠的。把元件連起來(lái)組成電路是一項(xiàng)費(fèi)用很高的程序，特別是如果我們把測(cè)試和重新安接那些不合格接頭的費(fèi)用也算進(jìn)來(lái)的時(shí)候，更是如此。

這種降低電路價(jià)格的需求，是電路集積度不斷增加的主要推動(dòng)力量，電路的價(jià)格往往是用完成一項(xiàng)電子功能需費(fèi)用多少來(lái)計(jì)算的。舉例來(lái)說(shuō)，用分立元件做成的記憶單元，它的價(jià)格是所有零件的價(jià)錢，加上把這些零件焊接在電路板上費(fèi)用的和。與此相比的是，一個(gè)集成電路也許包含十萬(wàn)個(gè)記憶單元，在這種情況下，一個(gè)單一功能的價(jià)格是做這個(gè)電路價(jià)格的十萬(wàn)分之一?？雌饋?lái)，降低單位功能價(jià)格的辦法就是增加單一集成電路上元件的數(shù)目，雖然我們會(huì)看到這也是有些困難的。

增加單一集成電路上元件數(shù)目的這個(gè)目標(biāo)，過去是從兩個(gè)方向來(lái)著手的。最簡(jiǎn)單的方法就是增加每個(gè)集成電路所占的面積，這個(gè)面積平常叫做“晶元面積”（die area）。這個(gè)方法的主要問題是如何得到高良品率（yield，又簡(jiǎn)稱良率），也就是說(shuō)保證大多數(shù)完成的電路可以運(yùn)作。

舉例來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)矽晶圓上有四百個(gè)電路〔即四百個(gè)“芯片”（chip）或四百個(gè)晶元〕。由于各種缺陷，我們發(fā)現(xiàn)一百個(gè)電路不能工作，因此良品率是百分之七十五。如果制作這個(gè)矽晶圓的費(fèi)用是3,000英鎊，那么每個(gè)集成電路的造價(jià)是10英鎊。如果我們現(xiàn)在把每個(gè)集成電路的面積加倍，現(xiàn)在矽晶圓上只能放得下兩百個(gè)集成電路了（事實(shí)上，實(shí)際的數(shù)目比這個(gè)稍小，因?yàn)榫г欠叫蔚?，而矽晶圓是圓的，因此在邊上會(huì)損失一些）。如果還是有一百個(gè)缺陷，那么良品率就只有百分之五十了。每一個(gè)集成電路的造價(jià)現(xiàn)在是30英鎊。

因此，雖然這些較大的電路包含了兩倍的元件數(shù)目，每一項(xiàng)功能的價(jià)格實(shí)際上要比小電路的價(jià)格來(lái)得高。這樣的論點(diǎn)似乎說(shuō)小電路可以得到更低的單位價(jià)格，與我們所說(shuō)的相反。不過，如果把封裝價(jià)格也加進(jìn)來(lái)，比如說(shuō)每個(gè)芯片是30英磅，那么芯片的總價(jià)格就分別變成40英磅和60英磅。因此，大型電路的確使得每一功能的平均價(jià)格比較低。

但是這樣的方法能走多遠(yuǎn)明顯是有限度的。不用多想就知道，如果晶元面積再加倍的話，良品率會(huì)再降低，最多只會(huì)有幾個(gè)集成電路合格，每一個(gè)的價(jià)格將會(huì)變得非常高。因此，在讓良品率最佳化和把一定尺寸的元件盡量多放進(jìn)單一集成電路，這兩者之間不能兩全，必須有一些取舍。

雖然如此，由于矽晶圓品質(zhì)和清潔間設(shè)備的改進(jìn)，晶元面積在過去這些年仍然是持續(xù)在增加。結(jié)果，集成電路的面積在過去三十年大約增加了一百倍，而沒有怎么影響到良品率。

在集成電路面積增加的時(shí)候，每個(gè)單獨(dú)元件的尺寸則顯著的減小。這主要是由于光刻技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，因而可以定義更小的結(jié)構(gòu)。

這種尺寸縮小的好處是很容易了解的。如果我們把所有的尺寸都縮小一倍，那么在同樣的面積上就可以擠進(jìn)四倍的元件。因?yàn)榧呻娐返膬r(jià)格基本上與電路所占的面積直接相關(guān)，這就讓每一功能的價(jià)格下降為四分之一。

把每一元件的尺寸縮小還有第二個(gè)好處，那就是它對(duì)于元件操作速率的影響。就像我們?cè)谇耙徽滤吹降模鹧醢刖w管的開關(guān)速率是由電子通過閘極區(qū)的時(shí)間來(lái)決定的。把這個(gè)距離降低一半，我們就可以把元件的性能增加一倍。

VLSI、ULSI、……

這些降低價(jià)格、減小尺寸、增強(qiáng)性能的諸多優(yōu)點(diǎn)，使得單一矽芯片上可以放得下的電子元件數(shù)目，增加得更快了。這很清楚的可以在圖5.3上看出來(lái)，這個(gè)圖顯示自從1959年發(fā)明集成電路以來(lái)，一個(gè)芯片上最大可能的元件數(shù)目是如何增長(zhǎng)的。

最早的集成電路，每個(gè)電路的元件數(shù)少于五十個(gè)，叫做小型集成電路。從那時(shí)以后，我們經(jīng)過了中型和大規(guī)模集成電路的階段?，F(xiàn)在最先進(jìn)的技術(shù)叫做超大規(guī)模集成電路（very-large-scale integration），或簡(jiǎn)稱為VLSI。雖然沒有什么很確定的范圍，一般來(lái)講，超過十萬(wàn)個(gè)晶體管的集成電路可以叫做VLSI。

這樣還能夠繼續(xù)增加下去多久？常識(shí)就可以告訴我們，這必然會(huì)有一個(gè)極限，特別是對(duì)于降低單一元件的尺寸來(lái)說(shuō)，更是如此。雖然這樣，有好幾百萬(wàn)個(gè)元件的集成電路已經(jīng)制作出來(lái)了，把技術(shù)帶到了極大規(guī)模集成電路（ultra-large-scale integration）的階段。我們得感謝，這個(gè)名詞似乎贏過了另一個(gè)沒有什么想象力的名詞──超大超大規(guī)模集成電路（very very-large-scale integration）！

電路設(shè)計(jì)師現(xiàn)在已經(jīng)在討論，到了二十一世紀(jì)初，可能有十億級(jí)的集積度，也就是說(shuō)每個(gè)晶元上有十億個(gè)晶體管。怎么樣才能做到這個(gè)程度？讓我們從繼續(xù)縮小每個(gè)元件的尺寸，會(huì)遇到什么困難來(lái)考慮這個(gè)問題。

次微米技術(shù)

首先我們應(yīng)該考慮制作這樣尺寸的元件是否可能。在這方面主要的限制來(lái)自光刻技術(shù)──就是把線路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換到芯片表面上的過程。過去，光刻技術(shù)的進(jìn)步可以滿足元件縮小的要求。目前能夠做到的商品化生產(chǎn)的最小線寬大約是0.5微米，而十億級(jí)集積度所需要的金氧半晶體管，它的閘極長(zhǎng)度大約是0.2微米。在未來(lái)，使用紫外光的光刻技術(shù)可以滿足這個(gè)需求嗎？答案是不確定的，不過，無(wú)論如何，還有其它幾種技術(shù)可供選擇。

其中一種技術(shù)，就跟高倍顯微鏡所用的技術(shù)一樣。我們不再用光束，而是用微細(xì)的電子束。用這種方法，就不需要用光罩了，電路設(shè)計(jì)圖可以存在電腦里，然后電腦就可以把電子束引導(dǎo)到矽芯片表面。用這種方法，電路圖形可以直接轉(zhuǎn)換到芯片表面，就像電腦直接在芯片表面用電子束來(lái)寫一樣。這個(gè)方法的缺點(diǎn)是必須要讓電子束在表面掃描，每個(gè)區(qū)域都要各自單獨(dú)的照射。比起用光罩可以讓芯片所有面積都同時(shí)曝光，這種制程是太慢了，因此也就貴得多。

回到我們以前用過的比喻，普通的光刻技術(shù)象是用噴桶和印刷底板，而電子束的方法則象是用一根細(xì)筆吃力的在畫復(fù)雜的圖案。另一個(gè)避免這種問題的可能性，就是保留使用光罩，但是用X光而不是用紫外光?？墒牵m然商品化的X光光刻系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展出來(lái)了，光罩卻有些問題：這些光罩常常是很脆弱的，而且把光罩與芯片對(duì)準(zhǔn)也是一個(gè)問題。

有一件有趣而值得注意的事是，二十多年以前，許多人都預(yù)言說(shuō)，普通的光刻技術(shù)是無(wú)法滿足未來(lái)需求的?？墒堑搅爽F(xiàn)在，它仍然是主要的應(yīng)用技術(shù)──前面提到的那些技術(shù)只獲得了一小部分的市場(chǎng)。我們?cè)诓煌膱?chǎng)合還會(huì)看到這種現(xiàn)象：對(duì)于一個(gè)問題，雖然可能有許多新的、而且也可能有益的的解決辦法，但是可能會(huì)被工業(yè)界接受的，往往是把現(xiàn)行技術(shù)延伸所發(fā)展出來(lái)的技術(shù)。因此，從現(xiàn)在起二十年后，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，光刻技術(shù)還是占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，也許它還能制作出比預(yù)期的還要小得多的細(xì)微結(jié)構(gòu)。

把圖象轉(zhuǎn)換到芯片的技術(shù)并不是制造小尺寸元件的唯一問題。當(dāng)每個(gè)元件的尺寸降低以后，微塵顆粒會(huì)造成元件失效的機(jī)會(huì)加大了。同時(shí)，因?yàn)樾枰枚啻蔚墓饪讨瞥蹋庹峙c芯片精確對(duì)準(zhǔn)變得非常重要?，F(xiàn)行的技術(shù)對(duì)于這些要求是可以應(yīng)付裕如的，因此，在制造技術(shù)這方面，沒有什么理由這種往更小尺寸的進(jìn)步不能夠繼續(xù)到至少下一個(gè)世紀(jì)。

晶體管尺寸可以縮得多?。?

縮小元件尺寸會(huì)遇到的第二點(diǎn)困難，是關(guān)于這些元件本身的：在保持必需的工作性能這個(gè)條件下，晶體管的尺寸還可以繼續(xù)縮減多少？

我們將把注意力集中在金氧半晶體管的結(jié)構(gòu)上，因?yàn)榻鹧醢刖w管是最適合制作集成電路的，因此擁有最高集積度的集成電路都是用這種元件做成的。

減小這些結(jié)構(gòu)的尺寸的規(guī)則，或者說(shuō)按比例縮小這些結(jié)構(gòu)的規(guī)則，原則上講是很直截了當(dāng)?shù)末ぉに械某叽?，包括橫向的（即順著芯片表面的）、與垂直的（即垂直于芯片表面的）尺寸，都要縮小一個(gè)共同的比例。下面我們要討論，如果按二分之一的比例縮小的話，這會(huì)代表什么意思。前面已經(jīng)看到了，這會(huì)讓一個(gè)固定面積上能夠放得下的元件數(shù)目增加為四倍。除此以外，其它的參數(shù)又將怎么樣？

讓我們暫時(shí)假設(shè)，電流與電壓都維持跟過去一樣大小。每個(gè)元件所消耗的功率是電流與轉(zhuǎn)換電壓的乘積（轉(zhuǎn)換電壓就是：要讓元件由一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，閘極電壓的改變量），因此每個(gè)元件所需要的功率仍然是相同的。

可是，由于在同一面積上的元件數(shù)目增加為四倍，每單位面積的功率也增加成四倍，這會(huì)形成一個(gè)重大的問題，因?yàn)楣β蕰?huì)轉(zhuǎn)變成為熱，而這熱量也增加了同樣的倍數(shù)。這些多出來(lái)的熱必須想辦法消除掉，否則芯片的溫度會(huì)增加，直到破壞性的事情發(fā)生為止。

在目前，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯片所產(chǎn)生的功率與一個(gè)黯淡電燈泡所產(chǎn)生的功率差不多。這聽起來(lái)好像不是一個(gè)什么大數(shù)字，但是它實(shí)際上比同樣面積的電爐絲所發(fā)出來(lái)的熱還要高好幾倍。

解決這個(gè)問題的辦法，普通是應(yīng)用一種所謂“恒定電場(chǎng)標(biāo)度”（constant field scaling）的方法。讓我們花一點(diǎn)時(shí)間看看這是什么意思。如果我們從所加的電壓來(lái)設(shè)想，這個(gè)電壓可以把晶體的能帶弄傾斜，那么電場(chǎng)強(qiáng)度就是能帶斜率的一種表示。因?yàn)樵礃O與漏極之間的距離縮短了一倍，我們需要把電壓差降低一個(gè)同樣的倍數(shù)，來(lái)維持跟以前同樣的斜率。還有一些其它參數(shù)，也要根據(jù)恒定電場(chǎng)標(biāo)度的原則來(lái)變化。轉(zhuǎn)換電壓也以同樣的比例縮小，流過元件的電流也是一樣。因此，每個(gè)元件所消耗的功率減低了四倍。

這是很理想的，代表每單位面積所產(chǎn)生的熱，在元件尺寸縮小的時(shí)候，仍然維持固定。

這些聽起來(lái)都很不錯(cuò)?？墒侨绻?yàn)槟撤N原因，有一個(gè)參數(shù)不能依比例縮小的時(shí)候，問題就發(fā)生了。舉例來(lái)說(shuō)，降低轉(zhuǎn)換電壓常常不是我們所希望的，因?yàn)檫@會(huì)增加系統(tǒng)受到雜訊影響的可能性。這句話的意思是說(shuō)，即使這個(gè)元件本來(lái)應(yīng)該是在“關(guān)”的狀態(tài)，但是電壓的一個(gè)小幅波動(dòng)，一下子就會(huì)讓元件轉(zhuǎn)到“開”的狀態(tài)。這是很不理想的，特別是在記憶電路里，這樣的變化會(huì)造成記憶單元內(nèi)容的改變。

保持這個(gè)電壓不變，或者至少在它降低的時(shí)候，讓它降低的倍數(shù)小于二，會(huì)減輕這個(gè)問題；但是這又讓我們回到散熱的問題。

閘極長(zhǎng)度的極限

另外一個(gè)問題與元件里每個(gè)p-n結(jié)的耗盡層有關(guān)。在平衡狀態(tài)的時(shí)候，這些耗盡層幾乎是沒有電子和電洞的。在一個(gè)大尺寸的元件中，這些耗盡層只延伸進(jìn)入閘極區(qū)一個(gè)很短的距離。事實(shí)上，在前一章分析金氧半晶體管的時(shí)候，我們忽略了這個(gè)耗盡層，假設(shè)它們小到不需要去擔(dān)心。可是，即使元件的尺寸縮小，耗盡層的寬度仍大約維持固定。這表示這些耗盡層在閘極區(qū)所占的比率愈來(lái)愈大。當(dāng)源極和漏極的耗盡層延伸跨過閘極區(qū)的時(shí)候，這個(gè)晶體管就不能像我們所希望一樣的工作了。

為了防止這個(gè)問題發(fā)生，必須增加閘極區(qū)摻雜原子的濃度。在這種情形下，有更多的電洞可以與電子復(fù)合，耗盡層在閘極之下也就不會(huì)延伸得那么遠(yuǎn)。因?yàn)楣?yīng)電壓、摻雜濃度和耗盡層的寬度都是緊密相關(guān)的，這就引進(jìn)了其它的問題。不過，考慮過所有的這些因素以后，大多數(shù)有關(guān)金氧半晶體管最小閘極長(zhǎng)度的估計(jì)，都認(rèn)為這個(gè)長(zhǎng)度大約是0.2微米左右，正好是十億級(jí)集積度所需要的。

聯(lián)機(jī)也是關(guān)鍵

讓人覺得有些奇怪的，集成電路進(jìn)一步微型化所面臨的最大問題與不起眼的聯(lián)機(jī)有關(guān)，聯(lián)機(jī)就是那些連結(jié)芯片上元件的細(xì)微金屬線。許多材料都可以用來(lái)做導(dǎo)線，從高度摻雜的矽，到矽化物與金屬，主要的材料是鋁。

聯(lián)機(jī)的主要問題之一就是它們對(duì)于電流所產(chǎn)生的電阻。我們會(huì)集中討論鋁，在常用材料中，鋁具有最低的電阻。

要了解聯(lián)機(jī)所引起的問題，以及這些問題如何能夠解決，我們需要了解一下信號(hào)是如何在聯(lián)機(jī)中傳遞的。一個(gè)很常見的誤解是認(rèn)為傳一個(gè)信號(hào)，需要電子從導(dǎo)線的一端傳到另一端。其實(shí)，像下一章要討論的，電子在電流方向的平均速率是很小的，每秒只有幾公尺。如果我們要靠電子在電線中走過來(lái)傳達(dá)信號(hào)，那么一通跨越大西洋的電話就要花幾個(gè)星期！事實(shí)上，電線中的信號(hào)傳播起來(lái)，就像在緊繃的繩子上波的傳播一樣。讓我們先考慮緊繃的繩子上的波這個(gè)類似的例子。我們直覺上覺得，波在緊繃的繩子上比在松弛的繩子上要傳得快。同樣的，我們也預(yù)料波在細(xì)繩子上傳得比在粗繩子上快。從這些考慮，我們可以證明，波的傳播速率主要跟兩個(gè)因素有關(guān)：繩子的張力和繩子每單位長(zhǎng)度的質(zhì)量。波傳過某根繩子所需要的時(shí)間與上面這兩個(gè)因素有關(guān)，也跟繩長(zhǎng)有關(guān)。

在電信號(hào)的情形，也有兩個(gè)主要的參數(shù)。這就是聯(lián)機(jī)對(duì)于電流的電阻，以及電線的電容（也就是存在于這個(gè)系統(tǒng)上的電荷量）。信號(hào)傳過電線的時(shí)間因此與所謂的RC因素有關(guān)，也就是聯(lián)機(jī)的電阻與電容的乘積。時(shí)間與聯(lián)機(jī)的長(zhǎng)度并不明顯有關(guān)，似乎讓人有一點(diǎn)驚訝，但是隱藏著的關(guān)系卻是很強(qiáng)的，因?yàn)殡娮枧c電容都與電線的長(zhǎng)度有關(guān)。

“小”事不妙

當(dāng)集成電路上元件尺寸縮小的時(shí)候，把聯(lián)機(jī)縮小最直接的辦法，就是把聯(lián)機(jī)依比例縮小，也就是把聯(lián)機(jī)的寬度與厚度都依比例減小。在這種依比例縮小的情況下，我們可以看電阻與電容變化的情況，來(lái)預(yù)估這種做法的效果。

讓我們先考慮電容的效應(yīng)。這些聯(lián)機(jī)通過氧化層的上表面，因此在下面的半導(dǎo)體表面吸引了同樣多的、另一種極性的電荷。聯(lián)機(jī)里所儲(chǔ)存的電荷，跟聯(lián)機(jī)與氧化層表面接觸的面積成正比，而跟聯(lián)機(jī)與半導(dǎo)體之間的氧化層厚度成反比。我們已經(jīng)提過，聯(lián)機(jī)的寬度要依比例縮小一倍，但是聯(lián)機(jī)的長(zhǎng)度如何改變？

現(xiàn)在讓我們暫時(shí)假設(shè)長(zhǎng)度也依照同樣的比例縮小。這個(gè)假設(shè)大體上是對(duì)的，至少對(duì)相鄰元件之間的聯(lián)機(jī)是如此。從這些考慮，我們估計(jì)聯(lián)機(jī)與氧化層表面的接觸面積，在縮小的電路中小了四倍。不過，由于氧化層的厚度也變小了，面積的因素要受到厚度變小而抵消掉部分，因此，總的來(lái)說(shuō)，電容會(huì)降低大約一倍。

這個(gè)結(jié)果看起來(lái)還蠻好的，但是依比例縮小對(duì)于電阻的效果卻不怎么好。當(dāng)聯(lián)機(jī)的截面積變小的時(shí)候，使得電流愈來(lái)愈不容易流過聯(lián)機(jī)，因此電阻會(huì)增加。如果聯(lián)機(jī)的厚度與寬度都同樣的縮小，那么截面積就會(huì)縮小四倍，電阻也會(huì)增加四倍。不過，因?yàn)殡娮枰才c聯(lián)機(jī)的長(zhǎng)度成正比，我們發(fā)現(xiàn)電阻總合起來(lái)是原來(lái)的兩倍。

由于電阻增加的倍數(shù)與電容降低的倍數(shù)相同，在這個(gè)依比例縮小的系統(tǒng)中，時(shí)間延遲保持固定。這是一個(gè)壞消息。雖然每個(gè)單獨(dú)元件的轉(zhuǎn)換時(shí)間由于比例縮小而降低了，元件之間信號(hào)傳播的延遲卻沒有降低。這就表示集成電路的速率，到最后會(huì)受到元件之間需要聯(lián)系的限制。

芯片毀了

縮小聯(lián)機(jī)的尺寸還有其它更嚴(yán)重的壞效應(yīng)。讓我們考慮一個(gè)比擬的例子，讓水由一根水管中流過。如果降低這水管的口徑，水就不容易像以前一樣用同樣的速率流出來(lái)。事實(shí)上，如果水管不夠強(qiáng)的話，它甚至可能會(huì)裂掉。

當(dāng)電子被迫由一條細(xì)線流過去的時(shí)候，同樣的事情也可能會(huì)發(fā)生。我們看到流過元件之間的電流減小了一倍，但是聯(lián)機(jī)的截面積減小了四倍。因此，每單位面積的電流（也就是電流密度）與縮小之前相比大了一倍。由于截面積的縮小也會(huì)使得電阻增加，這表示當(dāng)電流流過聯(lián)機(jī)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生更多的熱。熱會(huì)讓離子快速的振動(dòng)，而且因?yàn)檫@些離子受到電子密集不停的沖擊，因此可能會(huì)偏離開它們的晶格位置。這些離子的移動(dòng)，叫做“電致徙動(dòng)”，可能會(huì)嚴(yán)重到把一個(gè)小區(qū)域中所有的原子都移開了位置，這就把聯(lián)機(jī)給毀掉了。因?yàn)闆]有辦法修理這么小的一根聯(lián)機(jī)，這會(huì)使得整個(gè)芯片都失效。

這種對(duì)于聯(lián)機(jī)縮小的評(píng)估看起來(lái)似乎有些悲觀，實(shí)際上的情形可能還會(huì)更糟。因?yàn)槲覀冊(cè)谟懻撝屑僭O(shè)元件縮小的時(shí)候，聯(lián)機(jī)的長(zhǎng)度是與其它尺寸依比例縮小的，但事實(shí)上不見得一定會(huì)如此。特別是，雖然在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候已經(jīng)盡量的小心，但是總會(huì)需要一些從芯片的一邊連到另一邊去的長(zhǎng)線。很明顯的，這些聯(lián)機(jī)并不會(huì)由于元件縮小了而變短。甚至由于集成電路的尺寸有增加的趨勢(shì)，這些聯(lián)機(jī)只會(huì)愈來(lái)愈長(zhǎng)。這會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問題。

如果重復(fù)上面的討論，但是讓聯(lián)機(jī)的長(zhǎng)度在元件縮小的時(shí)候維持固定，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)元件尺寸縮小了一倍時(shí)，電容仍維持不變，而電阻卻增加了四倍。因此，在這些長(zhǎng)聯(lián)機(jī)上，信號(hào)傳過所需要的時(shí)間實(shí)際上隨著元件尺寸的比例縮小而大幅增加。

降低溫度很值得

我們因而得到這樣的結(jié)論，那就是把太多元件放在一個(gè)芯片上會(huì)嚴(yán)重的降低系統(tǒng)操作的速率。

關(guān)于這一點(diǎn)，我們能做什么？解決的辦法之一是不要那么激烈的縮小聯(lián)機(jī)的尺寸。比如說(shuō)，假設(shè)讓聯(lián)機(jī)的厚度與寬度不變。這表示即使當(dāng)聯(lián)機(jī)的長(zhǎng)度維持同樣的時(shí)候，聯(lián)機(jī)的電阻不會(huì)增加。而這對(duì)于電容的效果就不是那么理想了，不過，可以用增加氧化層厚度的方法來(lái)補(bǔ)償。

自然了，如果聯(lián)機(jī)的寬度不縮小，那么當(dāng)元件尺寸縮小的時(shí)候，這些聯(lián)機(jī)所占的表面積就增加了。事實(shí)上，一個(gè)面積為一平方公分的高密度超大規(guī)模集成電路，一般來(lái)講，聯(lián)機(jī)的總長(zhǎng)度大約為二十公尺。如果我們假設(shè)這些聯(lián)機(jī)大約是5微米寬，那么很快就可以算出來(lái)，這些聯(lián)機(jī)會(huì)把整個(gè)芯片的面積都占滿了。要防止這種情形，許多超大規(guī)模集成電路都用多層的聯(lián)機(jī)，每一層都用氧化層與其它的聯(lián)機(jī)分開。

另外一個(gè)避免這些聯(lián)機(jī)問題的可能辦法就是降低溫度。用這種方法，可以把系統(tǒng)的操作溫度當(dāng)作另外一個(gè)可以縮小的參數(shù)（雖然這個(gè)參數(shù)縮小的比例與其它的參數(shù)不一樣）。固然并不是在每項(xiàng)應(yīng)用中都能控制溫度，但是在許多超級(jí)電腦中，冷卻系統(tǒng)已經(jīng)是很常見的了。

這項(xiàng)工作是值得的，因?yàn)槭褂玫蜏貢?huì)有許多好處。比如說(shuō)，金屬聯(lián)機(jī)的電阻減低了，因而降低了時(shí)間延遲。離子的振動(dòng)也降低了，因而減低了聯(lián)機(jī)受到電致徙動(dòng)的影響。除此之外，閘極電壓依比例縮小的問題也解決了，因?yàn)闊犭s訊降低了。而且我們?cè)谙乱徽聲?huì)看到，元件本身在低溫時(shí)可以操作得更快。

一芯片十億元件

我們看到，要想增加集成電路電子元件的密度，會(huì)面臨許多可能的問題。雖然這樣，這種簡(jiǎn)單依比例縮小的方法可以讓微型化的趨勢(shì)繼續(xù)到二十一世紀(jì)，到了那個(gè)時(shí)候，應(yīng)該可以把十億個(gè)元件放在同一個(gè)芯片上。

然后要做什么呢？依比例縮小的理論說(shuō)這個(gè)最小的閘極長(zhǎng)度大約是0.2微米，但即使是在這樣的小尺寸，我們也還沒有碰到任何基本的限制。這表示繼續(xù)進(jìn)步仍然是可能的。不過，這可能會(huì)需要一種跟目前所用的很不相同的技術(shù)。