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1nm以下製程獲得重大突破 摩爾定律續命丹來了?

雖然「摩爾定律接近尾聲」的聲音不絕於耳,但IC業界對於更先進工藝製程的研究突破卻持續在為其「續命」。

繼IBM宣稱試產2nm晶片還沒「上頭條」太久,台積電便聯合台大、麻省理工宣布研發出一種新型半導體材料——半金屬鉍,在1nm以下製程獲得重大突破。

IBM的2nm與台積電的1nm有何不同?未來的摩爾定律還將「維繫」多久?

殊途同歸?

半個世紀以來,摩爾定律作為指引半導體業發展的「金科玉律」,一路高歌猛進。從最初的數微米開始,數十年時間就已進階到主流的7nm、5nm,而3nm亦即將量產。而相繼在2nm與1nm的突破,能否讓摩爾定律再次「延期」?

細究起來,其實IBM和台積電路線不一,而效果是「殊途同歸」。

正如半導體行業人士陳穰所言,IBM的2nm試產是通過改進結構實現,而台積電的1nm更多是採用新材料改進了互聯接觸點。

從結構來看,隨著特徵尺寸的不斷縮小,柵極對於溝道的控制能力減弱,則必須引入新的器件結構以滿足電晶體的要求。

工藝的進階歷程也可看到這一趨勢:平面工藝電晶體的特徵尺寸縮小過程持續了數十年,之後難以為繼;到了2013年下半年16/14nm節點正式引入FinFET,然而FinFET僅僅維持了10年不到,2020年左右的3nm節點就有可能已轉入GAA,三星已推出了改良版環繞型電晶體結構MBCFET。

需要指出的是,在平面器件中,溝道只有一面面對柵極;在FinFET工藝中,立體溝道三面都被柵極圍繞;到了GAA,溝道由奈米線構成,而奈米線的四面都被柵極圍繞,從而再度增強柵極對於溝道的控制能力。

但GAA又能維持多久呢,答案恐難樂觀。有技術專家對此表示,目前來看GAA在3nm、2nm工藝被採用,但有可能就延續兩代或兩代半,到1nm時有可能轉向採用CMOS結構的CFET。

再次拉長時間來看,摩爾定律的終結看來仍無法逆轉。正如陳穰直言,儘管GAA等立體電晶體結構可為摩爾定律續命,但遲早有一天不斷微縮的電晶體將逼近物理極限,特別是電晶體的特徵尺寸——柵極寬度已經小到真的很難控制了,是不可能永無止境的。

解決發熱是關鍵?

仔細審視,摩爾定律的核心是物理極限、散熱和成本。

「這其中關鍵點就是散熱。100億個電晶體集成在小小的空間中,任何電流經過都不可避免地帶來發熱,電晶體數量翻倍帶來的巨大發熱量,導致晶片內部會變成一個大火爐,這個問題一直制約著電晶體數量的翻倍,可以說業內一直尋找各種各樣的辦法與發熱做鬥爭。」陳穰談到。

陳穰進一步介紹,發熱來自兩個部分,一是電晶體本身工作時帶來的熱量,第二是金屬互聯層帶來的熱量。

因而業界一直兩路並進。陳穰分析,一方面在尋找各種性能更佳、可替代矽電晶體的材料。另一方面就是尋找現有金屬互聯層的替代材料,包括阻擋層、接觸點材料等。

目前業內主流是認為碳奈米管技術是未來取代矽電晶體、可大幅降低功耗的可行性方案。但陳穰提及,碳奈米管仍存在一系列設計、製造和功能上的問題,需要逐步加以克服,如果解決了各方面的技術難題,或許碳奈米電晶體有朝一日取代矽。

金屬互聯層的作用是可將所有電晶體的源端、漏端、柵極連結起來,以統一控制各個電晶體進行工作,實現大規模高速運算。對於降低金屬互聯層的發熱問題,陳穰指出,這有兩大改進方向,一是改變接觸點材料,二是改進金屬互聯層以及外部阻擋層材料,兩者目標都直指改進漏電、減少發熱。

台灣資深業界專家也認為,互聯決定金屬的特性及和矽共晶後的穩定性,在不同工藝節點所用的材料都不同。因為半導體底層結構是矽,而上層相連的接線需要低阻抗、高導電金屬等。不同材料性質不同,可能無法共晶,也可能會腐蝕,故需要一種能同時和矽、銅等穩定形成共晶而且不會腐蝕的金屬材料。

如今,金屬互聯層已從6英寸製程的鋁互聯,進階到8英寸的鎢,到12英寸工藝則大量使用銅互聯,14nm以下英特爾則開始嘗試用鈷。而台積電宣布用「鉍」材料來解決金屬互聯問題或在未來獲得成功。陳穰談及,新材料的實用化還需不斷探索,中間會有不小的難度,比如如何將鉍沉積等需著力解決。

但求新求變金屬互聯層,也不得不直面被顛覆的「命運」。陳穰著重說,未來可能採用「光互聯層」即矽光技術代替金屬互聯,以解決晶片內部互聯問題。因為光子不攜帶能量,因此其功耗相對於金屬互聯材料的萬分之一都不到,好處不言而喻。而且從更長遠來看,光子計算或將替代矽電晶體,其算力將遠超目前的傳統晶片。

只能說,技術的進階超乎想像。

責任編輯: 李韻  來源:愛集微APP 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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