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当芯片工艺制程进入到2nm节点之后,摩尔定律还会如何继续?

时间:2019-06-27 作者:关丽 阅读:
英特尔在今年才正式进入到10nm时代,将在后年转入7nm,而这比原定计划最少也要晚了2年。而且权威的国际半导体机构已经不认为摩尔定律的缩小可以继续下去了,摩尔定律这位“花甲老人”真的走不动了吗?可是笔者看到另一番景象,目前三星和台积电等厂商异常活跃......

芯片制程工艺的升级从90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、14nm到现在的10nm、7nm(其中XX nm指的是,CPU的上形成的互补氧化物金属半导体场效应晶体管栅极的宽度,也被称为栅长。),数十年来,电子产业一直循“摩尔定律”(Moore’s law)所设定的开发蓝图——晶片上可容纳的电晶体数量大约每隔两年增加1倍。目前工艺节点的现状是,摩尔定律逐渐放缓,英特尔在今年才正式进入到10nm时代,将在后年转入7nm,而这比原定计划最少也要晚了两年。而且权威的国际半导体机构已经不认为摩尔定律的缩小可以继续下去了,比如ITRS宣布不再制定新的技术路线图。摩尔定律这位“花甲老人”真的走不动了吗?我看未必。Fu5EETC-电子工程专辑

摩尔定律真的放缓了吗?

摩尔定律真的放缓了吗?可是笔者看到另一番景象,三星台积电等厂商异常活跃,怎么都感觉它们正上演着一场场制程工艺“谁比谁先进”的争夺战。世界上能够玩转7纳米、5纳米甚至是3纳米芯片制造工艺的企业也就他们两家了。即使摩尔定律有所放缓,但并不意味着将失效。Fu5EETC-电子工程专辑

今年台积电和三星已经相继宣布成功研发出了5nm工艺,并表示将会在明年投入量产。在此之后,三星率先发布自家3nm进度,号称2021年将以3nm超越对手;而台积电计划跳过3nm,直接研发2nm的工艺制程,开始极限操作,预计2024年投产。三星与台积电斗得难解难分。对他们来说,制程工艺上的胜负或许就是拉开差距的关键。看来,对于芯片制程工艺的探索,大厂商们还都没打算就此停下。Fu5EETC-电子工程专辑

根据Imec预测,半导体工艺特征尺寸在接下来几个节点会继续以个位数纳米微缩,但在2纳米节点的40纳米闸极长度与16纳米金属间距之后,恐怕不会再往下缩小。如果这样,可能导致芯片性能无法因应最高端应用需求。那些最渴望芯片性能提升的业者,会愿意从FinFET晶体管转向更小巧的纳米片架构;而那些专注于为移动装置应用缩小芯片占位面积以及功耗的IC厂商,或许会希望能“赖”着FinFET有多久是多久。Fu5EETC-电子工程专辑

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Moore19062101.pngImec展示的技术蓝图Fu5EETC-电子工程专辑

纳米片(NS)结构晶体管性能预期在未来的每一个节点都会超越FinFET (FF)。(如下图)Fu5EETC-电子工程专辑

Moore19062102.pngFu5EETC-电子工程专辑

一些物理学家,甚至是提出了摩尔定律的戈登·摩尔本人,都认为摩尔定律将在2020年左右失效。可是,国际大厂三星与台积电不但没停止对芯片制程工艺的继续探索,而且还正上演着一场先进制程的争夺战。。。Fu5EETC-电子工程专辑

台积电宣布启动2nm的工艺制程研发,但并没有透露2nm工艺所需要的技术和材料,看晶体管结构示意图(如下图)和目前并没有明显变化,看来会继续压榨硅半导体技术。接下来就看能不能做到1nm了。Fu5EETC-电子工程专辑

Moore19062103.JPG台积电宣布启动2nm工艺研发:预计2024年投产Fu5EETC-电子工程专辑

新思科技的Munoz表示,到了未来的技术节点,间距微缩将减缓至每世代约0.8倍左右。当间距微缩至2nm之时,都还可采用硅晶体作为半导体材料,而在2nm之后,可能会开始使用石墨烯。Fu5EETC-电子工程专辑

1nm工艺技术与设备已出现,是否能量产还未知

早在2016年10月,劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)宣布,研究人员已经成功研发出了尺寸仅有1纳米的晶体管。这个1nm晶体管由纳米碳管和二硫化钼(MoS2)制作而成。MoS2将担起原本半导体的职责,而纳米碳管则负责控制逻辑门中电子的流向。另外,美国布鲁克海文国家实验室 (Brookhaven National Laboratory,简称BNL) 的研究人员在2017年5月宣布,开发出可以达成1纳米工艺的相关技术与设备。布鲁克海文实验室的1nm工艺跟目前的光刻工艺有很多不同,比如使用的是电子束而非激光光刻,所用的材料也不是硅基半导体而是PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)之类的,下一步他们打算在硅基材料上进行尝试。Fu5EETC-电子工程专辑

已经出现的1nm工艺技术与设备,因为与目前的半导体工艺技术存在明显的差异,所以都不会很快投入量产。Fu5EETC-电子工程专辑

英特尔技术长Mike Mayberry主张:“…摩尔定律仍持续有效,只是以各种功能、架构搭配组合(mix-and-match)的功能演进,以因应数据的泛滥。”Fu5EETC-电子工程专辑

摩尔定律究竟会如何继续——从材料入手?

台积电表示,预计2024年量产2nm工艺,如果能够成功量产,那么意味着半导体生产技术在现有的条件下降逼近物理极限。未来是继续优化还是走向其他路线,都要由2nm技术实现的进度来定。Fu5EETC-电子工程专辑

当工艺制程突破物理极限之后,再想寻求新的制造技术就不能单纯的从减小栅长上做文章了,毕竟已经小到了2nm。在这样的情况下,只能从材料上入手,通过改变材料从而改变特性,进而再有所突破。Fu5EETC-电子工程专辑

为了尽可能地延续摩尔定律,有效地避免半导体产业整体下滑。科研人员也在想尽办法,比如寻求硅的替代材料。学术界五花八门的各种新材料新技术,石墨烯晶体管,隧穿晶体管,负电容效应晶体管,碳纳米管,等等。这些我们都可以看作是拯救摩尔定律的组合拳。Fu5EETC-电子工程专辑

1.GaN、SiCFu5EETC-电子工程专辑

目前最热的第三代半导体GaN、SiC已经能够规模量产,且被视为摩尔定律的后继力量,凭借其宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点,在许多应用领域拥有前两代半导体材料无法比拟的优点,有望突破第一、二代半导体材料应用技术的发展瓶颈,市场应用潜力巨大。Fu5EETC-电子工程专辑

2.石墨烯Fu5EETC-电子工程专辑

石墨烯被视为是一种梦幻材料,它具有很强的导电性、可弯折、强度高,这些特性可以被应用于各个领域中,甚至具有改变未来世界的潜力,也有不少人把它当成是取代硅,成为未来的半导体材料。但是真正把它应用于半导体领域,还需要克服不少的困难。Fu5EETC-电子工程专辑

Moore19062104.jpg石墨烯呈六边形结构Fu5EETC-电子工程专辑

其一,因为石墨烯本身的导电性能太好,它没有能隙,也就是只能开,而不能关,这样是不能实现逻辑电路的。如果要利用石墨烯来制造半导体器件,需要在不破坏石墨烯本身特有的属性下,在石墨烯上面植入一个能隙。目前已经有不少针对这方面的研究,但要真正解决这个问题还有待时日。Fu5EETC-电子工程专辑

其二,因为石墨烯边缘的六元环并不稳定,容易形成五元环或七元环,往往获取的石墨烯是多个畸形环所连成的多晶,从而影响本身的特性,这样生产出来的石墨烯就丧失了作为材料的意义了。Fu5EETC-电子工程专辑

3.硅烯Fu5EETC-电子工程专辑

因为硅和碳具有相似的化学性质,研究人推测硅原子也可以像石墨烯那样,原子呈蜂窝状排列,形成硅烯这种物质。硅烯相比于石墨烯的重要不同,就是硅烯拥有可以实现逻辑电路所必要的能隙。Fu5EETC-电子工程专辑

Moore19062106.jpg具有相似结构的硅烯,可能是比石墨烯更好的方案Fu5EETC-电子工程专辑

在空气中,硅烯具有极强的不稳定性,即使在实验室中,硅烯的保存时间也很短。如果要制作硅烯晶体管,还需要尝试通过添加保护涂层等手段,保证硅烯不会变性,才可能应用于实际当中。可见硅烯的应用面临着重重困难,但它仍然有赶超老大哥石墨烯,成为理想的半导体材料的希望。Fu5EETC-电子工程专辑

4.碳纳米管Fu5EETC-电子工程专辑

碳纳米晶体管是由碳纳米管作为沟道导电材料制作而成的晶体管,其管壁只有一个原子厚,这种材料不仅导电性能好,而且体积能做到比现在的硅晶体管小100倍。另外,碳纳米晶体管的超小空间使得它能够快速改变流经它的电流方向,因此能达到5倍于硅晶体管的速度或能耗只有硅晶体管的1/5。Fu5EETC-电子工程专辑

Moore19062105.png464碳纳米管晶体管模型Fu5EETC-电子工程专辑

但按照传统的做法,碳纳米管内通常会混杂一些金属纳米管,但是这些金属纳米管会造成电子装置短路,从而破坏碳纳米管的导电性能。大概在2016年九月左右,威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员另辟蹊径,他们利用聚合物取代了几乎所有的金属纳米管,将金属纳米管的含量降到0.01%以下,这样的做法大大提升了导电性能。Fu5EETC-电子工程专辑

北京大学电子系教授彭练矛带领团队也于2017年初就成功使用新材料碳纳米管制造出芯片的核心元器件——晶体管,其工作速度3倍于英特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管,能耗只有其四分之一。Fu5EETC-电子工程专辑

5.二硫化钼Fu5EETC-电子工程专辑

二硫化钼和碳纳米管一起已被劳伦斯伯克利国家实验室用来成功研发1纳米工艺,不同于硅,流过二硫化钼的电子变重,在门电路长度在1纳米时也能对晶体管内的电流进行控制。Fu5EETC-电子工程专辑

另一方面因为采用二硫化钼做为半导体材料,但光刻技术还跟不上相应水平,所以实验室团队采用空心圆柱管直径只有1纳米的碳纳米管。这种碳纳米管和二硫化钼制成的栅极正好可以有效控制电子,避免“量子隧穿效应”发生。Fu5EETC-电子工程专辑

6.III-V族化合物半导体Fu5EETC-电子工程专辑

III-V族化合物半导体是以III-V化合物取代FinFET上的硅鳍片,与硅相比,由于III-V化合物半导体拥有更大的能隙和更高的电子迁移率,因此新材料可以承受更高的工作温度和运行在更高的频率下。Fu5EETC-电子工程专辑

比起其他替代材料,III-V族化合物半导体没有明显的物理缺陷,而且跟目前的硅芯片工艺相似,很多现有的技术都可以应用到新材料上。目前需要解决的最大问题,恐怕就是如何提高晶圆产量并降低工艺成本了。Fu5EETC-电子工程专辑

7.二维原子晶体材料Fu5EETC-电子工程专辑

二维原子晶体材料简称二维材料,因载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内,使得相关器件拥有了较高的开关比、超薄沟道、超低功耗而受到了广泛关注。Fu5EETC-电子工程专辑

与此同时,二维材料却又因为在大面积高质量薄膜及异质结构的可控生长、发光器件效率较低、高性能二维器件制备及系统集成工艺上遇到了瓶颈,也使得相关从业者在这些方面上展开了研究。伴随着研究的深入,二维材料由于其带隙可调的特性,使之在场效应管、光电器件、热电器件等领域应用广泛。Fu5EETC-电子工程专辑

小结

即使硅工艺快将走到尽头,未来仍可能有多种替代方案来接替硅的位置,并使摩尔定律继续延续下去。但就目前而言,究竟哪种材料会首先接替硅的位置,暂时不能明确知晓。各位是怎样判断的呢?Fu5EETC-电子工程专辑

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关丽
电子工程专辑(EETimes China)资深产业研究员。
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