硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。硅晶圆尺寸越大越好,因为这样每块晶圆能生产更多的芯片。比如,
同样使用0.13微米的制程在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心,而使用300mm的晶圆可以制造大约427个处理器
核心,300mm直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的2.25倍,出产的处理器个数却是后者的2.385倍,并且300mm晶圆实际
的成本并不会比200mm晶圆来得高多少,因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。
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然而,硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增加硅晶圆的尺寸,那就是在晶圆生产过程中,离晶圆中心越远就越容易出
现坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展,坏点数呈上升趋势,这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。
总的来说,一套特定的硅晶圆生产设备所能生产的硅晶圆尺寸是固定的,如果对原设备进行改造来生产新尺寸的硅晶圆的话,
花费的资金是相当惊人的,这些费用几乎可以建造一个新的生产工厂。不过半导体生产商们也总是尽最大努力控制晶圆上坏点
的数量,生产更大尺寸的晶圆,比如8086 CPU制造时最初所使用的晶圆尺寸是50mm,生产Pentium 4时使用200mm的硅晶
圆,而Intel新一代Pentium 4 Prescott则使用300mm尺寸硅晶圆生产。300mm晶圆被主要使用在90纳米以及65纳米的芯片制
造上。
(2)蚀刻尺寸
蚀刻尺寸是制造设备在一个硅晶圆上所能蚀刻的一个最小尺寸,是CPU核心制造的关键技术参数。在制造工艺相同时,晶体
管越多处理器内核尺寸就越大,一块硅晶圆所能生产的芯片的数量就越少,每颗CPU的成本就要随之提高。反之,如果更先
进的制造工艺,意味着所能蚀刻的尺寸越小,一块晶圆所能生产的芯片就越多,成本也就随之降低。比如8086的蚀刻尺寸为
3μm,Pentium的蚀刻尺寸是0.80μm,而Pentium 4的蚀刻尺寸当前是0.09μm(90纳米)。目前Intel的300mm尺寸硅晶圆厂
可以做到0.065μm(65纳米)的蚀刻尺寸。
此外,每一款CPU在研发完毕时其内核架构就已经固定了,后期并不能对核心逻辑再作过大的修改。因此,随着频率的提
升,它所产生的热量也随之提高,而更先进的蚀刻技术另一个重要优点就是可以减小晶体管间电阻,让CPU所需的电压降
低,从而使驱动它们所需要的功率也大幅度减小。所以我们看到每一款新CPU核心,其电压较前一代产品都有相应降低,又
由于很多因素的抵消,这种下降趋势并不明显。
我们前面提到了蚀刻这个过程是由光完成的,所以用于蚀刻的光的波长就是该技术提升的关键。目前在CPU制造中主要是采
用2489埃和1930埃(1埃=0.1纳米)波长的氪/氟紫外线,1930埃的波长用在芯片的关键点上,主要应用于0.18微米和0.13微
米制程中,而目前Intel是最新的90纳米制程则采用了波长更短的1930埃的氩/氟紫外线。
90纳米的晶体管大小(左)与流行感冒病毒的大小(右)比较:
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以上两点就是CPU制造工艺中的两个因素决定,也是基础的生产工艺。这里有些问题要说明一下。Intel是全球制造技术最先进
且拥有工厂最多的公司(Intel有10家以上的工厂做CPU),它掌握的技术也相当多,后面有详细叙述。AMD和Intel相比则是
一家小公司,加上新工厂Fab36,它有3家左右的CPU制造工厂。同时AMD没有能力自己研发很多新技术,它主要是通过战略
合作关系获取技术。
在0.25微米制程上,AMD和Intel在技术上处于同一水平,不过在向0.18微米转移时落在了后面。在感觉无法独自赶上Intel之
后,AMD和摩托罗拉建立了战略合作伙伴关系。摩托罗拉拥有很多先进的电子制造技术,用于Apple电脑PowerPC的芯片
HiPerMOS7(HiP7)就是他们完成的;AMD在获得授权后一下子就拥有了很多新技术,其中部分技术甚至比Intel的0.13微米技
术还要好。现在AMD选择了IBM来共同开发65纳米和45纳米制造技术。它选择的这些都是相当有前景的合作伙伴,特别是
IBM,一直作为业界的技术领袖,它是第一个使用铜互连、第一个使用低K值介电物质、第一个使用SOI等技术的公司。AMD
获得的大多数技术很先进,而且对生产设备的要求不高,生产成本控制的很低,这也是AMD的优势。
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图为AMD的新工厂Fab36中采用的APM 3.0 (Automated Precision Manufacturing)技术,可进一步实现制造的自动化,效率
化。同时AMD还建造了自己的无尘实验室。
(3)金属互连层
在前面的第5节“重复、分层”中,我们知道了不同CPU的内部互连层数是不同的。这和厂商的设计是有关的,但它也可以间接
说明CPU制造工艺的水平。这种设计没有什么好说的了,Intel在这方面已经落后了,当他们在0.13微米制程上使用6层技术
时,其他厂商已经使用7层技术了;而当Intel准备好使用7层时,IBM已经开始了8层技术;当Intel在Prescott中引人7层带有
Low k绝缘层的铜连接时,AMD已经用上9层技术了。更多的互连层可以在生产上亿个晶体管的CPU(比如Prescott)时提供更高
的灵活性。
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