2007年11月，英特尔将会发布一系列新处理器产品，其中将会包括用于双路服务器的Xeon系列处理器和用于高端PC的处理器，它们均采用了目前非常先进的采用了45nm制程技术，戈登•摩尔先生给予了这项技术极高的评价：“采用高-k栅介质和金属栅极材料，是自上世纪60年代晚期推出多晶硅栅极金属氧化物半导体（MOS）晶体管以来，晶体管技术领域里最重大的突破！”我们将通过一系列的文章帮助读者提前了解这一技术和相关的产品。

　　晶体管技术领域不可忽视的5大事件

　　【IT168评测中心】2007年1月29日，英特尔中国有限公司在北京宣布英特尔将采用专有的新型高-k介质材料作为晶体管栅介质，同时采用新型金属材料组合作为晶体管栅电极，从而使得45nm晶体管产品在不久的将来成为现实。

　　英特尔公司联合创始人戈登•摩尔（Gordon Moore）给予了这项新晶体管技术给予了极高了评价：“采用高-k栅介质和金属栅极材料，是自上世纪60年代晚期推出多晶硅栅极金属氧化物半导体（MOS）晶体管以来，晶体管技术领域里最重大的突破……”

　　由于晶体管产品的普及，我们这些现代用户几乎已经对其视而不见了，这意味着它已经成为了我们生活、工作中息息相关、密不可分的有机组成部分。要了解45nm晶体管技术为什么会具有这么重要的意义？我们有必要回顾一下晶体管技术发展的历史。

　　第一只晶体管诞生

　　半导体的研究可以追溯到19世纪，众多优秀的科学家的智慧结晶促成了1947年12月3日，贝尔实验室的威廉姆·肖克莱（William Shockley）、沃特·巴丁（Walter BraTtain）、约翰·布拉顿（John Bardeen）发明了点触型晶体管。当蒂尔（G.K.Teal）和利特尔（J.B.Little）研究成功生长大单晶锗的工艺后，肖克莱于1950年4月制成第一个结型晶体管——这种晶体管实际应用比点接触型晶体管广泛得多，从此开辟了电子技术的新纪元。

　　助听器和收音机，最早的晶体管商业化产品

　　从结型晶体管诞生到第一个晶体管商用产品的推出只有3年的时间。谁都想不到，应用当时非常先进的半导体科技的是一款助听器。很遗憾的是，我们没有能够找到这款助听器的图片。不过，我们找到了于1954年10月18日第一台投入市场晶体管收音机Regency TR1的图片，这个产品采用了4只晶体管。一项先进的技术加上快速的商业化，预示着其光明的前途。

　　集成电路的出现

　　1958年，仙童公司Robert Noyce(罗伯特.诺依斯)与德仪公司Jack Kilby（杰克.基尔比）间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史。 1961年4月25日，第一个晶体管电路专利被授予了前者：Robert Noyce。

第一个集成电路

　　也许关于这个结果历史上还存有争议，但不管是谁发明了集成电路，都说明了晶体管工业正在向着正确的发展方向前进：体积更小、集成度更高的集成电路。

　　摩尔定律的诞生

　　1965年，戈登•摩尔（Gordon Moore）在Electronics MAGazine中发表了一篇文章，该文章对于摩尔定律进行了阐述，该定律的主要内容是一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍（10年后修正为每两年）。

　　之后的40年中，晶体管技术的确保持着这一种不可思议的速度发展。

　　英特尔处理器成为IBM个人电脑中枢

　　1971年，英特尔发布了其第一个微处理器4004，它采用了10微米PMOS技术生产，包含2000多个晶体管。但是，我们认为1978年，英特尔标志性的把Intel 8088微处理器销售给IBM个人电脑事业部，成为了IBM PC的中枢大脑，这个事件才是真正值得我们记住的。正是8088的成功让英特尔进入了财富500强，并且借助于“技术-财富－技术”的良性循环保持着高速的发展。

　　此后，英特尔一发不可收。Pentium处理器标志着一个全新的多媒体时代的到来，至今这个品牌还沿用在英特尔的高性价比的产品线中。Netburst微架构活跃在英特尔产品线中7、8年，迅驰平台更让英特尔在移动领域取得了绝对的领先优势。

　　今年的11月中旬，英特尔将会发布业界第一个应用45nm技术的处理器系列产品。

　　从10微米到45纳米，历数英特尔处理器和13项重要制程

　　1971年，英特尔发布了其第一个微处理器：Intel 4004。这款处理器核心面积未1/8英吋 x 1/16英吋，包含2300多个晶体管，采用了10微米PMOS技术生产——1969年，英特尔研制成功了PMOS硅栅晶体管，这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质，最大的改进是引入了新的多晶硅栅电极。此后的Intel 8008处理器依然沿用了10微米技术，但是集成度达到了3500左右。

Intel 4004处理器，10微米制程技术

　　经典的Intel 8080处理器于1974年4月推出，它采用了更先进的6微米制程技术，包含了6000多个晶体管，主频达到了2MHz，性能是上一代处理器的10倍。公认的第一台个人计算机Altair 8800正是采用了Intel 8080处理器。Intel 8080处理器当时是如此流行，很多公司开始生产“兼容处理器”。

Intel 8085处理器，3微米制程技术

　　1976年3月，英特尔发布了Intel 8085处理器，这款处理器主频达到了5MHz，采用了3微米制程技术，包含了6500个晶体管。两、三年后，Intel 8086和8088处理器相继问世，依然采用3微米制程技术，但是集成了29000个晶体管，数量是上一代产品的4倍！

Intel 80286处理器，1.5微米制程技术

　　1982年，英特尔80286微处理器推出，它使用了13400个晶体管，运行频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。此时，英特尔采用了1.5微米制程技术。1985年，32bit的英特尔386微处理器问世，包括27.5万个晶体管，也是1.5微米制程技术。

 
Intel 486DX处理器，1微米制程技术

　　1989年4月，英特尔发布了Intel 486DX处理器，这款处理器采用了1微米制程技术，所包含的晶体管数量达到了118万个。随后的几年间，486处理器相继发布了DX2、SX2和DX4等版本，处理器所整合的晶体管数量达到了160万个。

 
Intel Pentium处理器，0.8微米制程技术

　　1993年3月，英特尔Pentium处理器问世，包含有310万个晶体管，采用了英特尔0.8微米制程技术。

 
Intel Pentium Pro处理器，先后采用0.6微米制程技术和0.35微米制程技术

　　1995年11月，英特尔发布的Pentium Pro处理器的晶体管数量升至550万个，相继采用了0.6微米和0.35微米制程技术。1997年1月面世的Pentium MMX处理器集成度将到了450万，开始稳定的使用0.35微米制程技术。第一代的Pentium II处理器（代号Klamath）也沿用了0.35微米制程技术，包含的晶体管数量超过了750万个。

 
Intel Pentium II Xeon处理器，0.25微米制程技术

　　1998年4月，第二代Pentium II处理器（代号为Deschutes）和Pentium II Xeon处理器发布，它们均采用了0.25微米制程技术，后者包含了750万个晶体管。1999年，英特尔发布的Pentium III处理器和Pentium III Xeon处理器也采用了该制程技术，由950万个晶体管组成。随着工艺的发展，后期的Pentium III处理器开始启用0.18微米制程技术。

Intel Pentium III处理器，后期采用了0.18微米制程

　　2000年11月，起始主频为1.5GHz的Pentium 4处理器也采用了0.18微米制程技术，其所包含的晶体管数量达到了4200万个。2001年5月，英特尔还推出了Pentium 4 Xeon和Itanium处理器，也均为0.18微米制程技术。

 
Intel Pentium4处理器（Northwood核心），0.13微米制程技术

　　2002年1月，英特尔推出采用了0.13微米制程的Pentium 4处理器（代号Northwood）。2003年3月12日，英特尔发布迅驰移动技术平台，其中包括了英特尔最新的移动处理器Pentium M，该处理器采用了0.13微米制程，包含7700万个晶体管。

Intel ITANIUM2处理器，90nm制程技术

　　2002年8月13日，英特尔宣布与90nm制程相关的若干技术取得突破，包括高性能低功耗晶体管、应变硅、高速铜连接和新兴低K介质材料，这是业界在生产中首次使用应变硅。2005年，英特尔将90nm制程技术应用于代号为Prescott的Pentium 4处理器和双核处理器Pentium D上，后者包含了2.3亿个晶体管。2006年7月18日，英特尔双核安腾2处理器发布，集成了17.2亿个晶体管，同样采用了90nm制程技术生产。

 
Intel 5300 Xeon处理器，65nm制程技术

　　2006年7月27日，英特尔发布酷睿2双核处理器，该处理器包括2.9亿个晶体管，采用了65nm制程技术生产。2007年1月8日，英特尔发布了用于桌面电脑的65nm酷睿2四核处理器和用于服务器的四核处理器，晶体管数量达到了5.8亿个。 

　　2007年1月29日，英特尔宣布在晶体管技术上取得突破，其下一代处理器所采用的晶体管将应用高K栅介质和金属栅极这些创新性的材料。这些突破使得45nm制程技术快速应用于量产产品成为可能。

　　传统晶体管技术局限所在

　　第一只晶体管问世以来的60年的时间里，晶体管技术的进步可谓是突飞猛进，体积的不断地的缩小，切换速度不断的提升，集成电路的集成度也不断的提升。尽管晶体管技术进步巨大，但是晶体管发热和电流泄露问题始终是制造更小的晶体管、让摩尔定律持久发挥效力的关键障碍。

　　晶体管是一种简单的开关装置，利用它的导通状态和断路状态可用于可处理电子数据中的0、1。如上图所示，一个基本的CMOS晶体管包括栅电极、源极和漏极，电流是否能够从源极到漏极，取决于栅电压的高低——可以想象源极到漏极之间是一个输送水的软管，软管受到的压力足够大，软管变形就会阻断水流，源极和漏极之间就是断路状态，否则是开路状态。

　　源极中一般会包括涂层硅（Doped Silicon），这是一种掺杂了某些降低电阻杂质的硅，它是晶体管中电流产生的“源头”。漏极和源极类似，也在硅中掺杂了一些杂质，它是晶体管中电流流向的部分。（晶体管是对称的，电流可以从源极到漏极，也可以从漏极到源极）。传统的栅电极材料是多晶硅或者原子随意排列且不形成网格状结构的硅，它的电流状态决定着晶体管是打开还是闭合的。源极和漏极之间的区域是通道部分，它由晶体管状态的硅组成，也就是以网格状有序排列结果的硅，当晶体管处于打开状态时，电流流经通道。

　　栅介质位于栅电极下方，用于隔离栅电极和沟道，一般会包含二氧化硅成分。在理想状态下，栅介质应该是完美的绝缘体，也就是在栅电极加电压时才有电流通过，没有电压时则完全没有电流通过，实际上却不是这样，在不加电压的时候也会有微弱的电流通过栅介质，这就是所谓的漏电。

　　采用氧化硅制造晶体管栅介质已有40余年，主要是由于其可加工能力，并且随着氧化硅被加工得越来越薄，晶体管性能也取得了稳步提高。英特尔在其此前的65nm制程技术中，已经成功将氧化硅栅介质的厚度缩小至1.2nm（相当于五个原子层），但是不断缩小也使栅介质的漏电量逐步增加，导致电流浪费和不必要的发热，影响晶体管发挥其应有的作用。

　　高-k栅介质和金属栅极，进军45nm技术的保障

　　晶体管栅漏电与不断变薄的氧化硅栅介质有关，这一点已经被业界视为过去10年来摩尔定律面临的最大技术挑战之一。为解决这一棘手问题，英特尔公司在栅介质中采用厚度更大的铪基高-k材料取代氧化硅，与过去40多年中一直使用的氧化硅相比较，漏电量减少了10多倍。

　　在上个世纪80年代，人们对于CMOS晶体管的基本结构做了改进，在栅电极层之上增加了一个低电阻覆盖层，以提高晶体管的性能。

　　对于N型晶体管而言，当栅极电压超过阈值电压时，晶体管为打开状态，此时源极和漏极之间有较多的电流通过，而当栅极电压低于阈值电压时，晶体管为关闭状态，此时源极和漏极之间只有较少的电流通过（理想状态当然是无电流通过）。对于P型晶体管而言，上述的情况都是反的，也就是当栅极电压低于阈值电压时处于打开状态，而栅极电压高于阈值电压时处于关闭状态。而现代芯片中一般使用的是CMOS（互补型金属氧化物半导体）晶体管，这种晶体管将N型晶体管和P行晶体管结合，具有更低的功耗和更好的性能。

　　栅介质层做的越薄，将增加栅电极与硅通道耦合（增加栅场效应），并且有助于增强“开状态”时的电流，降低“关状态”时的电流。然而“物极必反”，如果栅介质太薄的话，那么漏电流将会穿过普通的绝缘栅介质（二氧化硅层）——最严重的情况下将会导致该晶体管出现逻辑错误。

　　为了解决这个问题，英特尔采用了基于鉿的高-K栅介质来代替原来的二氧化硅栅介质。这里的K所指的就是介电常数，原来所使用的二氧化硅栅介质的K值约为4-5附近，而高-K材料一般会在25以上（但英特尔并未透露所采用的这种高-K材料的具体情况）。利用这种高-K材料，可以使得栅介质层的厚度不必太薄，可明显的降低栅电极漏电，同时还提高了栅场效，从而达到了提升“开状态”下的电流，降低“关状态”下的电流的目的。

　　当高-k栅介质与多晶体硅栅电极结合时会产生的两种不良效应。第一种是阈值电压钉扎效应，主要因为在栅介质和栅电极边界产生的某些瑕疵，很难将阈值电压调节到较低的水平，而低阈值电压却是高性能晶体硅所必需的。第二种是声子散射，这种现象限制了电子的移动性，从而会降低晶体管的性能。当用特定金属制成的栅电极取代多晶硅栅电极，就可以很好的消除以上的问题。

　　在正常运行的情况下，在多晶硅栅电极和栅介质交界的地方是会形成一个薄薄的耗尽导电信号区，这将导致栅介质的有效厚度增加，从而使得“开状态”下的源极-漏极电流下降，而“关状态”下的源极-漏极电流增加，这种改变不是人们所期望的。

　　同样，使用特定金属制成的栅电极取代多晶硅栅电极，也能消除耗尽区，增加栅场效，从而达到了提升“开状态”下的电流，降低“关状态”下的电流的目的。

　　做为新型晶体管的核心技术，英特尔并没有公布关于高-K栅介质和金属栅极的具体信息。英特尔只是说明可以用做高-K栅介质和金属栅极的材料有数百种之多，而且还要采用适合的制程技术才能达到预期的目标。英特尔乐观的估计，其它公司可能会在32nm时代或者更晚的时候才能获得同样的成果。

　　英特尔如何“顺产”45nm处理器

　　2003年P1262制程投入使用，90nm技术被用于代号Prescott的处理器中；2005年P1264制程投入使用，65nm技术被用于代号为Presler的处理器中；2007年新年伊始，英特尔宣布在晶体管技术上取得重大突破，其45nm产品将会于2007年下半年投入生产。可见，英特尔始终保持着每两年更新一次制程技术的频率，但这次更新面临着选用新型材料，那么英特尔是如何确保自己能在今年年底量产45nm处理器产品的？

　　首先，英特尔对于高-K栅介质和金属栅极的晶体管技术的研究不是一朝一夕的事情。早在2003年，英特尔研发部门就发布了采用了高-K栅介质和金属栅极的晶体管，并且预言该技术将会用于45nm制程中。

　　其次，从目前45nm制程技术进展来看非常的顺利。上图所示的曲线代表的是缺陷密度和时间的关系。曲线越光滑越好（说明进展平稳，没有意外的波折出现），曲率越陡峭越好（说明制程能更快速的成熟），底部越低越好（说明最终的良率更高）。可以看到，45nm制程技术的发展很顺利，在2007年年初其缺陷密度已经降低到了一个较为理想的水平，按照这个趋势发展，在2007年底有望达到底部－－也就是接近成熟。英特尔表示将采用创新的设计规则和先进的掩模技术，拓展193nm干式光刻技术的应用确保进度。

45nmSRAM测试晶圆

　　在2006年1月份，英特尔发布的153Mbit SRAM就已经开始使用45nm制程技术了——它利用经济有效的193nm干蚀刻技术成功的实现了具有高-K栅介质和金属栅极的晶体管。这表明英特尔新型晶体管已经不仅仅局限于实验室环境了，他们已经为下半年的处理器量产做好了基本的准备。

　　2007年1月英特尔展示了可工作的Penryn处理器，4月份展示了用于UMPC平台的silverthorne低功耗处理器，它们的出现更证明了45nm制程技术的产品化是近在咫尺的事情。

俄勒冈D1D工厂鸟瞰

亚利桑那Fab 32工厂

以色列Fab28工厂

　　英特尔计划将会在2007年下半年，在位于俄勒冈的D1D工厂和位于亚利桑那的Fab32工厂投产45nm 300mm晶圆。2006年3月份在以色列Qiryat Gat镇开工的Fab28工厂预计在2008年上半年投产45nm 300mm晶圆产品。这些都是英特尔能够确保45nm处理器产品顺利量产并上市的有力保障。

　　英特尔45nm技术带给我们什么？

　　同今天的65nm技术相比，英特尔宣称45nm技术具有多个方面的优势：

• 晶体管密度提升了2倍，从而使芯片体积更小

• 晶体管切换功率降低30%以上

• 晶体管切换速度提升20%以上

• 源极-漏极漏电功率降低5倍以上

• 栅极氧化物漏电功率降低10倍以上

　　这项技术落实到产品上就是闪存芯片和处理器，这些产品同样会因为这些特性而受益。双路Xeon将会是第一个全线应用45nm技术的产品线：代号为Harpertown的Xeon 5400处理器将会使用45nm Hi-k技术。

　　Xeon 5400处理器将会具有更高的集成度，每个四核处理器中将会包括8.2亿个晶体管，而上一代四核处理器Xeon 5300处理器则为5.8亿个晶体管，但是Xeon 5400处理器的核心面积则减小到了107平方毫米。“晶体管密度提升了2倍”的优势得以体现。

　基于45nm制程技术的四核Xeon处理器的主频不久前才达到了3GHz，而基于45nm制程技术的处理器的最高主频肯定是可以突破3GHz的，这也得益于“晶体管切换速度提升20%以上”。