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由浅到深 谈芯说事

奇怪的科学家
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三星宣布,加入了11nm 工艺,性能比此前的14nm提升了15%,单位面积的功耗降低了10%。若要遵循摩尔定律继续走下去,未来的半导体技术还会有多大所提升空间呢?

10年前我们觉得65nm工艺是极限,因为到了65nm节点二氧化硅绝缘层漏电已经不可容忍。所以工业界搞出了HKMG,用high-k介质取代了二氧化硅,传统的多晶硅-二氧化硅-单晶硅结构变成了金属-highK-单晶硅结构。5年前我们觉得22nm工艺是极限,因为到了22nm沟道关断漏电已经不可容忍。所以工业界搞出了FinFET和FD-SOI,前者用立体结构取代平面器件来加强栅极的控制能力,后者用氧化埋层来减小漏电。现在我们觉得7nm工艺是极限,因为到了7nm节点即使是FinFET也不足以在保证性能的同时抑制漏电。所以工业界用砷化铟镓取代了单晶硅沟道来提高器件性能。当我们说工艺到了极限的时候,我们其实是在说在现有的结构、材料和设备下到了极限。然而每次遇到瓶颈的时候,工业界都会引入新的材料或结构来克服传统工艺的局限性。当然这里面的代价也是惊人的,每一代工艺的复杂性和成本都在上升。

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Source:源极  Gate:栅极  Drain:漏极

工作原理

一个芯片上整合了数以百万计的晶体管,而晶体管实际上就是一个开关,晶体管能通过影响相互的状态来处理信息。晶体管的栅极控制着电流能否由源极流向漏极。电子流过晶体管在逻辑上为“1”,不流过晶体管为“0”,“1”、“0”分别代表开、关两种状态。在目前的芯片中,连接晶体管源极和漏极的是硅元素。硅之所以被称作半导体,是因为它可以是导体,也可以是绝缘体。晶体管栅极上的电压控制着电流能否通过晶体管。

摩尔定律

为了跟上摩尔定律的节奏,工程师必须不断缩小晶体管的尺寸。但是随着晶体管尺寸的缩小,源极和栅极间的沟道也在不断缩短,当沟道缩短到一定程度的时候,量子隧穿效应就会变得极为容易,换言之,就算是没有加电压,源极和漏极都可以认为是互通的,那么晶体管就失去了本身开关的作用,因此也没法实现逻辑电路。从现在来看,10nm工艺是能够实现的,7nm也有了一定的技术支撑,而5nm则是现有半导体工艺的物理极限。

硅芯片工艺自问世以来,一直遵循摩尔定律迅速发展。但摩尔定律毕竟不是真正的物理定律,而更多是对现象的一种推测或解释,我们也不可能期望半导体工艺可以永远跟随着摩尔定律所说发展下去。但是为了尽可能地延续摩尔定律,科研人员也在想尽办法,比如寻求硅的替代材料,以继续提高芯片的集成度和性能。接下来我们来谈一下几种未来有可能取代硅,成为新的半导体材料方案。

III-V族化合物材料

可能将会在7nm节点放弃传统的硅芯片工艺,并在未来的几年中启用全新的半导体材料来作为继任者,目前看来,这种新材料很可能会是III-V族化合物半导体。该半导体材料是以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。Intel在很早之前已经尝试III-V族化合物(磷化铟和砷化铟镓)与传统晶圆整合的化合物半导体。而在一年多前,IMEC(微电子研究中心,成员包括Intel、IBM、台积电、三星等半导体业界巨头)已经宣布成功在300mm 22nm晶圆上整合磷化铟和砷化铟镓,开发出FinFET化合物半导体。

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III-V族化合物成为FinFET上的鳍片

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,因此也被视为在10nm之后继续取代硅的理想材料。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。

1、石墨烯

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电镜下的石墨烯,呈六边形结构

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。

2、硅烯

碳跟硅具有相同的化学性质,而事实上,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。虽然硅烯的应用面临着重重困难,但它仍然有希望赶超老大哥石墨烯,成为理想的半导体材料。

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具有相似结构的硅烯,可能是比石墨烯更好的方案

结束语

科研总是走在实用之前很多年的,已经有许多新的方向在试图突破。比如三价五价半导体,碳纳米管、以及量子隧穿类的研究。其实芯片本身在架构方面也还有很大的潜力可挖,计算性能并非只能死磕制程。或许只有量子计算、光子计算才是最终归宿。

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