半導體工藝的極限：1nm之戰(zhàn)

從 7nm 到 5nm，從 5nm 到 3nm，半導體產業(yè)對于先進工藝制程的追求永不停歇。2022 年，當臺積電宣布已經掌握成功大量量產 3nm 鰭式場效電晶體制程技術后，1nm 開始一步步逼近。

對于先進工藝的掌握，意味著更高的性能、更頂尖的技術。從 3nm 跨越到 1nm，這其中面臨的技術挑戰(zhàn)猶如天塹。因此，1nm 對于業(yè)界來說也充滿著誘惑。

1nm，念念不忘

工藝制成的研發(fā)和生產需要大量的資源，一方面是技術積累，如晶體管架構、材料選擇、制造過程等方面都需要解決難題；另一方面還需要強大的資金、人才和設備，眾所周知從 5nm 走到 3nm，生產成本也翻了一番。并非人人都有「資格」追求 1nm。從 28nm 跳級到 1nm 這之間的差距絕對令人望而卻步。

我們來看看，目前有野心追求 1nm 的機構和企業(yè)分別有哪些。

最新的消息是日本計劃與法國合作開發(fā) 1nm 制程半導體。具體來看，是日本芯片制造商 Rapidus、東京大學將與法國半導體研究機構 Leti 合作，共同開發(fā)電路線寬為 1nm 級的新一代半導體設計的基礎技術。

法國的 CEA-Leti 成立于 1967 年，該研究所的前身是成立于 1957 年的 CENG（格勒諾布爾核研究中心）的電子系。在芯片的發(fā)展進程中，CEA-leti 的也有很多重要里程碑事跡，如其是推動硅上絕緣體場效應管（FD-SOI）技術的重要推動者之一。

日本芯片制造商 Rapidus 大家應該不陌生了。這家企業(yè)成立的時間非常晚——2022 年 8 月，其集合了日本的 8 家企業(yè)和日本政府提供的 700 億日元資金。一成立的目標就是，要在 4 年內量產 2nm 芯片。當時與 IBM 建立戰(zhàn)略合作關系，向著 2nm 進發(fā)。不過目前，日本國內最先進的制程還停留在 45nm。所以日本能否通過這次「豪賭」，從 45nm 跨越到 2nm 是業(yè)界還在期待的事。

現(xiàn)在看來，日本的野心并不僅僅止步于 2nm，其也想朝著 1nm 的目標前進。合作方式是 Rapidus 與東京大學、Leti 研究所進行一些涉及的人員交流和基礎研究共享。Leti 將探索新型晶體管結構，而 Rapidus 和其他日本合作伙伴將派出科學家，然后評估和測試原型。

IBM 在 2021 年就推出了全球首款 2nm 芯片，使用了 GAA 環(huán)繞柵極晶體管技術，一時震動了業(yè)界。從歷史上看，從 5nm 走到 2nm，IBM 使用了不到四年。在 2nm 之后，IBM 自然而然的走向了 1nm。在 2022 年末的 IEDM 會議上，IBM 展示了其為通向 1nm 及以上準備的技術：互連 3.0 和 VTFET。

Imec 在今年 5 月公布了 1nm 以下晶體管的路線圖，在其路線圖中 1nm 等于 10 埃。不僅如此，到了 6 月，Imec 更是表示其與 ASML 簽署了一項重要協(xié)議，與 ASML 共同合作開發(fā) 1nm 以下芯片。ASML 將提供最新型號 0.55 NA EUV、2nm 和 1nm 工藝開發(fā)關鍵的 TWINSCAN EXE:5200，以及最新型號 0.33 NA EUV TWINSCAN NXE:3800。

企業(yè)方面，作為目前唯一一家能夠成功實現(xiàn) 3nm 量產的晶圓廠，臺積電也早早開始研究 1nm。臺積電已經選定了其 1nm 新廠的落腳位置，在竹科龍?zhí)秷@區(qū)。從進展上來看，若一切順利，竹科龍?zhí)秷@區(qū)三期 2026 年中即可供廠商展開建廠作業(yè)，這也意味著臺積電 1nm 廠最快能夠在 2026 年動工，2027 年試產，2028 年量產。實際上，這也符合 Imec 預測的 1nm 以下路線圖。

來源：IMEC

芯片龍頭英特爾對于 1nm 的誘惑同樣無法抗拒。從工藝節(jié)點來看，英特爾目前準備將 Intel 4，用于 Meteor Lake 處理器和 Granite Rapids，下一步將是 Intel 3，它將使用 EUV 光刻來實現(xiàn)更大的模塊化，PPW 增加到 18%。而英特爾最新的工藝是 20A 和 18A。Intel 20A 本來被稱為 Intel 1，但是由于英特爾想要「更好的喚起下一個創(chuàng)新時代」，將其命名為 20A。

現(xiàn)在問題來了：1nm 未來，如何實現(xiàn)？

2D 材料

尋找合適的晶體管結構以及合適的晶體管材料來實現(xiàn) 1 納米工藝幾何結構的工作仍然是一個好的方向。使用非硅材料有利于制造非常微小的晶體管——小至 1 納米。

2019 年時，IMEC 就在 IEEE 會議上，展示 2D 材料可實現(xiàn) 1nm 以下的工藝節(jié)點。當時 IMEC 已經展示了具有微小特征尺寸的二硫化鉬 (MoS2) MOSFET 可以為晶體管的極端縮放開辟途徑，遠低于硅器件短溝道效應的水平。

MoS2 是一種二維材料，這意味著它可以以穩(wěn)定的形式生長，厚度僅為一個原子，最重要的是，在該尺度上具有原子精度。

麻省理工學院、南洋理工大學和臺積電的研究人員發(fā)現(xiàn)，二維材料與半金屬鉍 (Bi) 結合可實現(xiàn)極低的電阻，克服了實現(xiàn) 1 納米芯片的挑戰(zhàn)。

臺積電也同樣宣布，其在 2D 材料方面取得突破，逼近 1 nm。在 2022 年時，臺積電和麻省理工學院、南洋理工大學聯(lián)合發(fā)表了一篇論文，描述金屬引起的導電間隙帶來的制造挑戰(zhàn)，以及單層技術如何受到這些金屬引起的間隙的影響。

這篇文章中建議使用后過渡金屬鉍和一些半導體單層過渡金屬二硫族化物來減小間隙的尺寸，從而生產出比以前小得多的 2D 晶體管。在實驗中，臺積電嘗試了目前各種低電阻的半導體材料，二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）和二硒化鎢（WSe2）。

改變銅 (Cu) 互連

在計算機芯片之中，半導體組件之間的布線被稱為互連。簡單解釋，互連就是電流在芯片中各個晶體管、存儲器、處理單元和其他組件之間的流動方式，如果互連的傳輸越有效，那么芯片的效率就會越高。

在 1997 年以前，大家往往都在使用鋁互連。之后，IBM 又發(fā)現(xiàn)了更有效的銅互連。銅線的導電電阻比鋁線低約 40%，這意味著處理速度提高約 15%。在過去的幾十年里，這種巨大的轉變導致銅成為互連的行業(yè)標準。

現(xiàn)在，銅互連也開始遇到了瓶頸。銅互連始終需要阻擋襯里材料來形成適當的布線結構。隨著器件縮小，可用于銅布線和襯墊材料的空間變得更小。

目前業(yè)界一直在尋找其他金屬可以替代銅互連。

碳納米管 (CNT)、單層石墨烯 (SLG) 和少層石墨烯 (FLG)）與其他相關互連材料（鎢 (W)、銅 (Cu) 和釕 (Ru)）的性能比較 來源：IMEC

IBM：使用釕

IBM 找的方式是使用釕。釕可以擴展到 1 納米及以上節(jié)點，并且仍然是一種有效的導體，因此不需要襯墊，這有助于節(jié)省空間。通過減色圖案化方法形成的釕也有可能用于一種新型互連集成方案，稱為頂通孔集成。在這種情況下，互連通孔形成在導線的頂部，而不是導線的下方，從而允許為最關鍵的互連層形成連續(xù)的導線和自對準通孔。此外，通過這種頂通孔集成牢固地形成嵌入式氣隙，從而減少互連寄生電容，也將有助于實現(xiàn)更快、更低功耗的芯片。IBM 的研究人員使用極紫外光刻 (EUV) 雙圖案現(xiàn)有的機器上創(chuàng)建測試結構，結果表明能夠實現(xiàn)突破。

IMEC、臺積電：使用石墨烯

與 IBM 的方式不同，臺積電嘗試使用石墨烯進行多層布線。

人們對石墨烯互連應用的興趣并不令人意外。石墨烯表現(xiàn)出高本征載流子遷移率（高達 200,000cm2 V -1 s -1）和大載流能力（高達 108A/cm2）。此外，石墨烯具有高導熱性和抗電遷移的競爭穩(wěn)健性。它還可以制成原子級厚度，這有助于減輕厚度對 RC 延遲的影響。

臺積電表示，當制作不同寬度的互連原型并將其電阻與銅互連進行比較時，發(fā)現(xiàn)寬度為 15nm 或更小的石墨烯互連的電阻率低于銅互連的電阻率。石墨烯的接觸電阻率也比銅低四個數量級。將金屬離子嵌入石墨烯中可以改善互連的電性能，使其成為下一代互連的有前途的材料。

IMEC 則認為石墨烯和金屬的混合結構，非常有希望成為 1nm 的候選者。此外，IMEC 也在考慮釕 (Ru) 作為銅互連的替代品。

改變器件架構

如上文提到，IBM 對于 1nm 的努力除了選擇釕互連外，還有一個就是 VTFET 架構。IBM 認為，使用 VTFET，晶體管組件垂直堆疊在一起，而不是橫向堆疊，這是自計算機時代誕生以來設計芯片的標準。這極大地增加了單個芯片上可以安裝的晶體管數量，就像摩天大樓城市的人口密度遠高于聯(lián)排別墅郊區(qū)的人口密度一樣。IBM 的研究表明，VTFET 設計的規(guī)?？梢赃h遠超出 IBM Research 于 2021 年首次推出的最先進的 2 納米節(jié)點納米片設計的性能。

IMEC 則認為能夠超越 2nm 的器件架構，是 Forksheet 架構。新的 forksheet 器件架構是 GAA 納米片器件的自然演變，允許軌道高度從 5T 擴展到 4.3T，同時仍然提供性能增益?；蛘?，通過叉板設計，可用空間可用于增加板寬度，從而進一步增強驅動電流。

圖側四個結構，均為 CFET 的變種 來源：imec

英特爾則是認為可以使用一種 GAA FET 的最新形態(tài)——堆疊式 CFET 場效應管架構。這種架構的集成密度進一步提升，將 n 型和 p 型 MOS 元件堆疊在一起，可以堆疊 8 個納米片，比 RibbonFET 多一倍。目前，英特爾正在研究兩種類型的 CFET：單片式（monolithic）和順序式（sequential）。不過，英特爾的 CFET 架構并不是獨立提出的，而是與 IMEC 機構長期合作的結果。

總結

在科技的世界里，1nm 無疑是一個極具吸引力的存在。然而，正如我們在文章中所提到的，1nm 技術雖然具有巨大的潛力，但也帶來了諸多挑戰(zhàn)。

對于許多公司和研究機構來說，1nm 可能代表著技術上的「圣杯」。它不僅僅是一個物理極限，更是一個巨大的商業(yè)機會。例如，1nm 晶體管會帶來更快的處理器，更小的內存單元，更高效的能源儲存等等。

通往 1nm 的道路可以謂是復雜又波折。產業(yè)界來看，這些學術的突破性進展并不一定能很快用于商業(yè)化的芯片生產。畢竟 3nm 芯片的良率似乎都還是一個問題。從 3nm 到 1nm，摩爾定律如何延續(xù)，我們期待著更多的深入探索，以克服 1nm 技術所面臨的巨大挑戰(zhàn)。