25、先进超低功耗半导体器件的现状与未来展望

先进超低功耗半导体器件的现状与未来展望

1. 晶体管设计的重要性

在半导体领域，晶体管设计至关重要。一个中央处理单元（CPU）芯片中包含无数电路，而每个电路又有大量晶体管。因此，工程师在半导体行业中首要关注的就是晶体管设计。

晶体管制造涉及众多步骤和超过100道工艺，可分为前端工艺（如制造晶体管、用金属线连接晶体管、分类等）和后端工艺（如组装、故障测试）。这就使得前端工程师和后端工程师的合作尤为关键，同时，晶体管设计师、电路设计师、生产部门和测试部门之间的协作也极为重要。

不同部门之间可能会存在权衡问题，例如设计部门为了降低生产成本、提高晶体管和电路性能，可能会将故障率放在次要位置；而测试部门则会将故障率作为首要考虑因素，因为故障率和良品率是决定微芯片最终生产成本的关键因素。这种各部门协同合作的理念被称为设计技术协同优化（DTCO）。

2. DTCO的挑战与意义

在半导体行业竞争日益激烈的背景下，实现DTCO并非易事。尽管在众多工程师的努力下，制造设备的成本有所下降，但降低微芯片的生产成本并生产出优质的微芯片仍需付出巨大努力。

添加一个简单且低成本的制造工艺（如湿蚀刻和氧化），都可能对微芯片的最终制造成本和良品率产生重大影响。因此，所有半导体工程师都应实现DTCO。

3. 晶体管设计的物理限制

晶体管设计面临的一个严重限制是其物理厚度。特别是在最近的3/5纳米技术节点中，栅极长度（Lgate）已低于18纳米，“12 - 18纳米”的栅极长度已接近其极限，难以无限缩小。例如，两个硅（Si）原子之间的距离为0.54纳米，所以栅极长度不可能小于0.54纳米，因为制造比硅原子还小的