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由淺到深 談芯說事

作者: 時(shí)間:2017-09-14 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
編者按:科研總是走在實(shí)用之前很多年的,已經(jīng)有許多新的方向在試圖突破。

  三星宣布,加入了11nm ,性能比此前的14nm提升了15%,單位面積的功耗降低了10%。若要遵循繼續(xù)走下去,未來的半導(dǎo)體技術(shù)還會(huì)有多大所提升空間呢?

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201709/364272.htm

  10年前我們覺得65nm是極限,因?yàn)榈搅?5nm節(jié)點(diǎn)二氧化硅絕緣層漏電已經(jīng)不可容忍。所以工業(yè)界搞出了HKMG,用high-k介質(zhì)取代了二氧化硅,傳統(tǒng)的多晶硅-二氧化硅-單晶硅結(jié)構(gòu)變成了金屬-highK-單晶硅結(jié)構(gòu)。5年前我們覺得22nm是極限,因?yàn)榈搅?2nm溝道關(guān)斷漏電已經(jīng)不可容忍。所以工業(yè)界搞出了FinFET和FD-SOI,前者用立體結(jié)構(gòu)取代平面器件來加強(qiáng)柵極的控制能力,后者用氧化埋層來減小漏電?,F(xiàn)在我們覺得7nm工藝是極限,因?yàn)榈搅?nm節(jié)點(diǎn)即使是FinFET也不足以在保證性能的同時(shí)抑制漏電。所以工業(yè)界用砷化銦鎵取代了單晶硅溝道來提高器件性能。當(dāng)我們說工藝到了極限的時(shí)候,我們其實(shí)是在說在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)、材料和設(shè)備下到了極限。然而每次遇到瓶頸的時(shí)候,工業(yè)界都會(huì)引入新的材料或結(jié)構(gòu)來克服傳統(tǒng)工藝的局限性。當(dāng)然這里面的代價(jià)也是驚人的,每一代工藝的復(fù)雜性和成本都在上升。


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  Source:源極 Gate:柵極 Drain:漏極

  工作原理

  一個(gè)芯片上整合了數(shù)以百萬計(jì)的晶體管,而晶體管實(shí)際上就是一個(gè)開關(guān),晶體管能通過影響相互的狀態(tài)來處理信息。晶體管的柵極控制著電流能否由源極流向漏極。電子流過晶體管在邏輯上為“1”,不流過晶體管為“0”,“1”、“0”分別代表開、關(guān)兩種狀態(tài)。在目前的芯片中,連接晶體管源極和漏極的是硅元素。硅之所以被稱作半導(dǎo)體,是因?yàn)樗梢允菍?dǎo)體,也可以是絕緣體。晶體管柵極上的電壓控制著電流能否通過晶體管。

  

  為了跟上的節(jié)奏,工程師必須不斷縮小晶體管的尺寸。但是隨著晶體管尺寸的縮小,源極和柵極間的溝道也在不斷縮短,當(dāng)溝道縮短到一定程度的時(shí)候,量子隧穿效應(yīng)就會(huì)變得極為容易,換言之,就算是沒有加電壓,源極和漏極都可以認(rèn)為是互通的,那么晶體管就失去了本身開關(guān)的作用,因此也沒法實(shí)現(xiàn)邏輯電路。從現(xiàn)在來看,10nm工藝是能夠?qū)崿F(xiàn)的,7nm也有了一定的技術(shù)支撐,而5nm則是現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的物理極限。

  硅芯片工藝自問世以來,一直遵循摩爾定律迅速發(fā)展。但摩爾定律畢竟不是真正的物理定律,而更多是對(duì)現(xiàn)象的一種推測或解釋,我們也不可能期望半導(dǎo)體工藝可以永遠(yuǎn)跟隨著摩爾定律所說發(fā)展下去。但是為了盡可能地延續(xù)摩爾定律,科研人員也在想盡辦法,比如尋求硅的替代材料,以繼續(xù)提高芯片的集成度和性能。接下來我們來談一下幾種未來有可能取代硅,成為新的半導(dǎo)體材料方案。

  III-V族化合物材料

  可能將會(huì)在7nm節(jié)點(diǎn)放棄傳統(tǒng)的硅芯片工藝,并在未來的幾年中啟用全新的半導(dǎo)體材料來作為繼任者,目前看來,這種新材料很可能會(huì)是III-V族化合物半導(dǎo)體。該半導(dǎo)體材料是以III-V化合物取代FinFET上的硅鰭片,與硅相比,由于III-V化合物半導(dǎo)體擁有更大的能隙和更高的電子遷移率,因此新材料可以承受更高的工作溫度和運(yùn)行在更高的頻率下。Intel在很早之前已經(jīng)嘗試III-V族化合物(磷化銦和砷化銦鎵)與傳統(tǒng)晶圓整合的化合物半導(dǎo)體。而在一年多前,IMEC(微電子研究中心,成員包括Intel、IBM、臺(tái)積電、三星等半導(dǎo)體業(yè)界巨頭)已經(jīng)宣布成功在300mm 22nm晶圓上整合磷化銦和砷化銦鎵,開發(fā)出FinFET化合物半導(dǎo)體。

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  III-V族化合物成為FinFET上的鰭片

  比起其他替代材料,III-V族化合物半導(dǎo)體沒有明顯的物理缺陷,而且跟目前的硅芯片工藝相似,很多現(xiàn)有的技術(shù)都可以應(yīng)用到新材料上,因此也被視為在10nm之后繼續(xù)取代硅的理想材料。目前需要解決的最大問題,恐怕就是如何提高晶圓產(chǎn)量并降低工藝成本了。

  1、石墨烯

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  電鏡下的石墨烯,呈六邊形結(jié)構(gòu)

  石墨烯被視為是一種夢幻材料,它具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性、可彎折、強(qiáng)度高,這些特性可以被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中,甚至具有改變未來世界的潛力,也有不少人把它當(dāng)成是取代硅,成為未來的半導(dǎo)體材料。但是真正把它應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域,還需要克服不少的困難。

  2、硅烯

  碳跟硅具有相同的化學(xué)性質(zhì),而事實(shí)上,在空氣中,硅烯具有極強(qiáng)的不穩(wěn)定性,即使在實(shí)驗(yàn)室中,硅烯的保存時(shí)間也很短。如果要制作硅烯晶體管,還需要嘗試通過添加保護(hù)涂層等手段,保證硅烯不會(huì)變性,才可能應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中。雖然硅烯的應(yīng)用面臨著重重困難,但它仍然有希望趕超老大哥石墨烯,成為理想的半導(dǎo)體材料。

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  具有相似結(jié)構(gòu)的硅烯,可能是比石墨烯更好的方案

  結(jié)束語

  科研總是走在實(shí)用之前很多年的,已經(jīng)有許多新的方向在試圖突破。比如三價(jià)五價(jià)半導(dǎo)體,碳納米管、以及量子隧穿類的研究。其實(shí)芯片本身在架構(gòu)方面也還有很大的潛力可挖,計(jì)算性能并非只能死磕制程。或許只有量子計(jì)算、光子計(jì)算才是最終歸宿。



關(guān)鍵詞: 工藝 摩爾定律

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