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芯片制造商必须学习新的方法,二维材料或将带来新的变革(图文)

时间:2021-04-06 作者:Don Scansen 阅读:
IC设计和制造的未来究竟是走异构集成3DIC还是尽力研究材料开发1nm或者0.7nm呢?近日,Nature一篇文章提出2D材料的设想,并成功制造出一片晶圆,而这也引起EE times专家的浓厚兴趣,究竟什么样的材料能引领未来呢?
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我们过去一直认为晶体管只能在二维平面上开发,其材料结构上的特性也被简化为片状电阻(只包含电阻电容等参数信息)。这样就会导致其器件是平面二维的抽象概念,而为了理解MOS管的底层电路设计,我们大部分的假设和建模也都设计为2轴。

慢慢的思路开始发生转变,二维设计开始被材料物理学特性所打破,越来越复杂的特性开始展示在科学家和工程师面前,最终MOS和三极管等器件诞生出了FinFET技术,一举将二维平面带入到“3-D”时代。

 

(FinFET晶体管200nm,图源:google搜索)

当然技术路线的更新换代往往还伴随着名词和术语的重新调整,修改和复用等。而现代的技术人员还是统称“MOSFET”未免有失偏颇,毕竟其工艺和设计包括使用材料都截然不同(氧化物和high-k介质)。所以在编者看来,2-D切换成3-D应该是切换到了全新的赛道。

最近在《Nature》杂志的一篇在线期刊文章对于半导体技术的未来发展提出了见解,并且引起了EE times 杂志编辑的浓厚兴趣。《Promises and prospects of two-dimensional transistors》一文探讨了硅基材料晶圆生产的终点,当然不仅是因为传统FinFETs技术逐渐动力(新兴的GAA和MCB技术逐渐成为主流),另一方面是硅这种材料在3D的情况其并不能很好的工作。

从材料学角度来看,还有很多种材料适合半导体生产-过渡金属硫化物(TMD,transition metal dichalcogenides)例如:硫化钼(MoS2)、二硒化钼(MoSe2)、二碲化钼(MoTe2)、二硒化钨(WSe2)和二硫化钨(WS2)。并且来自加州纳米系统研究所的作者:Duan和三星高级技术研究所的合作者也指出TMD(过渡金属硫化物)材料在未来二维半导体材料生产中具备广泛的应用前景。

路线图

Nature》杂志的这篇文章是最前沿的研究,当然我们可以从其他的资料中看看现今的技术发展路线。

 

IMEC WS2沟道晶体管(来源: IEEE)

当然我们普通读者在展望半导体未来时,最好的资源一定有 IMEC网站。在去年12月举行的国际电子元件会议大会上,Sri Samevadam 从多个角度探讨了从材料到“芯片结构”缩放的前景和未来。IMEC定义未来技术路线为2D的晶体管可达到1nm工艺节点,其展示了极性互补的堆叠“纳米片”结构制成的CFETs晶体管,其拥有四个 track 单元,每个大约在1.5nm左右。并且IMEC还指出,也就是在近十年间,大量的技术革新和信息流动带动了整个产业发展。

IMEC正在寻找用于MOS管通道的新型材料WSi2,并且IEEE还报道称IMEC在12寸晶圆产线成功制造出了这种MOS管芯片。

 

从Bulk MOSFET 到2D MOSFET (来源: Nature)

电流密度不会说谎

对于现实厂商发展的角度来看,功率、性能、面积和成本(P-P-A-C)缺一不可,所以新的设计一定是在满足方方面面工程平衡的情况下才能批量生产。

《Promises and prospects of two-dimensional transistors》的文章作者提出,许多用于确定新材料的适用性的指标可能阻碍了半导体材料的发展,因为器件性能至关重要--很多材料制造出的器件其某些物理性质不可能能打破实验室的世界纪录。

对于晶体管来说,电流驱动能力是其重要指标之一,就是我们所说的饱和驱动电流,在半导体芯片行业其按照μa/μm为单位来测量的。当然这个参数会受到其他指标例如:移动性(μ)和接触电阻(RC)等相互作用,但是进一步将又似乎有些模棱两可,高迁移率和低接触电阻似乎并不能带来高的驱动电流。

当材料的尺度接近为二维平面时(薄到层厚度接近原子厚度时),迁移率变得不再一致,使得硅基材料原先固有的概念也发生了改变。随着材料厚度的减薄,其迁移率将迅速下降,而到达3nm厚度时,TMD材料开始显示出比硅更有优势的特性。

 

理想2D MOSFET的四个关键参数 (来源: Nature)

二维晶体管的最佳饱和驱动电流取决于四个主要因素: 本征材料特性、接触电阻、半导体-介质界面和散热。也就是说,想要进一步微缩半导体的工艺节点,引入新材料应该是最有效的解决办法,并且新的二维材料在附着力和加工难度上又有着非同一般的障碍。

 

IMEC WSi2-2D 晶体管集成到一个标准的工艺流程中(来源: IEEE)

我们需要什么?

尽管在工艺和材料制备上的难度重重,本文的作者们仍旧相信,在工业规模上采用2-D 材料制成集成电路晶体管没有根本性的障碍。因为技术在演进到3nm甚至1nm尺度上,已经快达到原子层的尺度,其原来的三维尺度坍缩为二维,其性能可能会发生巨大变化。在这巨变的背后,我们会采用新型的材料来替代Si也就显得不足为奇了。

当然作者承认,“在可预见的未来,2D 半导体不太可能完全取代硅,因为需要一个“杀手级应用程序”才能投入生产。并且考虑到半导体产业设备的巨额投入和设计制造成本,也许2028年也不一定会实现。

如果我们打开思路再去想象一下,可能接下来的难题很有可能是二维材料缩减一个维度变成一维的,一个原子连着一个原子组成一条线的场景,会不会是下一代半导体材料的未来呢?

 

编译:我的果果超可爱

翻译自:Chip Makers Must Learn New Ways to Play ‘D’    by  Don Scansen(原文有删减)

https://www.eetimes.com/chip-makers-must-learn-new-ways-to-play-d/

 

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