未來先進製程發展極限是什麼?

作者 : 張河勳,EE Times China

如果加入成本的考量,摩爾定律早已終結了很多年。因此,只有存在一個足夠大到能養活先進製程晶片的市場,才是這場半導體先進製程爭奪戰的根本意義所在。

近幾年,「摩爾定律面臨失效危機」的聲音不絕於耳。根本原因在於隨著晶片設計及製程越來越小,晶片製造製程不斷接近物理極限和工程極限,晶片性能提升也逐步放緩,且成本不斷上升。然而,近日,晶片代工龍頭台積電(TSMC)宣佈開始開發1.4奈米(nm)製程之後,引發業界對先進晶片製程技術的質疑。從另外一個層面來看,這在一定程度上也是台積電對三星(Samsung)宣稱在2025年量產2奈米製程技術的回應。 面對業界的質疑聲,目前以台積電、三星等為代表的晶片代工廠似乎仍在努力突破極限,為摩爾定律「續命」。預計,相對IBM以透過改進結構實現2奈米試產,台積電的1.4奈米製程技術預計還將利用聯合台大、麻省理工學院共同研發出的一種新型半導體材料——半金屬鉍,以採用新材料的方法改進互連接觸點,來實現先進晶片製程技術的突破。那麼,隨著技術製程無限接近矽電晶體的物理極限,未來晶片的發展極限是什麼呢? GAA成跨越3奈米最佳製程選項 當前,以5G、AI、元宇宙等為代表的新興科技產業快速崛起,對低功耗、小尺寸、異質整合及超高運算速度的晶片架構技術提出了更高的要求,也成為晶片巨頭決勝的重要手段。然而,剛剛跨過5奈米技術節點,台積電、三星、英特爾(Intel)又在3奈米及以下展開了新的先進製程競賽。 實際上,自英特爾於2012年在22奈米晶片引入創新立體架構的「FinFET」之後,全球半導體業者都在此基礎上進行研發更先進的晶片。目前最先進的5奈米製程也是採用FinFET架構製作,台積電在FinFET技術架構上拔得頭籌,於2020年成功投入量產。不過,隨著技術製程微縮至3奈米時,FinFET從架構上已很難滿足要求,因為會產生電流控制漏電的物理極限問題。 那麼,進入3奈米及以下製程,要用什麼新製程繼續提升電晶體密度呢?答案就是繼續「立體化」。簡單來說:如果能將電晶體像積木一樣堆疊起來,那麼就能有效減少電路的佔位面積,那麼電晶體的密度或許就能翻倍,新的製程——GAA製程(Gate-All-Around,全環繞閘極電晶體)就是順著這個思路而誕生。 儘管台積電也曾表示,3nm晶片量產時間為今年下半年,並且鑒於成本和新製程磨合問題,將繼續採用FinFET製程。但從原理上來說,要想基於矽基晶片在單位面積的晶片上放下更多的電晶體,以3奈米製程為節點,基本上是要放棄FinFET架構,需要採用新的GAA製程挑戰摩爾定律極限,何況此次台積電又目標指向1.4奈米製程技術。 可以把GAA製程理解成目前FinFET的升級版,其相關的想法最早在1988年被提出。這項技術允許設計者透過調整電晶體通道的寬度來精確控制性能和功耗,而較寬的材料便於在大功率下獲得更高的性能;而較薄的材料可以降低功耗。GAA在從構造上主要有兩種形態,都可以實現3奈米,取決於具體設計:一是環繞式閘極場效電晶體(Gate-All-Around FET,GAAFET),採用三層奈米線(nanowire)來構造電晶體,閘極比較薄;二是三星已經採用的MBCFET (Multi-Bridge-Channel),其使用奈米片構造電晶體,將原有FinFET製程中鰭狀改良成多路橋接鰭片,截面為水平板狀或者水準橢圓柱狀。據悉,三星已經為MBCFET註冊商標。 根據IRDS規劃,在2021~2022年以後,FinFET結構將逐步被GAAFET結構所取代。該架構即透過更大的閘極接觸面積提升對電晶體導電通道的控制能力,從而降低操作電壓、減少疏漏電流,有效降低晶片運算功耗與操作溫度。相對而言,GAAFET技術將通道四側全部包裹,FinFET的閘極僅包裹通道三側。 GAAFET的晶片架構相較FinFET,能以更小的體積實現更好的功耗表現,實際可縮減45%晶片面積、同時降低50%的能耗。至於1.4奈米製程技術,台積電必然也會採用GAAFET架構,並藉由導入低維度高電子遷移率材料,以及特殊絕緣層材料等,來強化其在先進製程的競爭優勢。GAAFET架構儼然已成為下一世代延續摩爾定律的最佳選項。 台積電「半金屬鉍」方案 有人認為,摩爾定律的核心是物理極限、散熱和成本。然而,這個極限尺寸具體是多少,產業界其實也一直在摸索。儘管GAA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——閘極寬度已經小到真的很難控制了。目前來看,無論是結構上的創新,還是新材料的導入,2奈米都將是一個非常關鍵的節點。然而,台積電提出開發1.4奈米製程,似乎在進一步挑戰這個物理極限。 當然,除了物理極限的問題,還要考慮散熱的問題。想像一下,上百億的電晶體整合在一個極度狹小的空間裡,任何電流經過都不可避免地帶來熱量,如果不斷提升電晶體的數量,那麼熱量的問題就變得更加棘手。目前晶片的熱量主要來自兩個方面:一是電晶體本身工作時帶來的熱量;二是金屬互連層帶來的熱量。為此,產業界在尋找各種性能更佳、可替代矽電晶體的材料同時,還需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。 而台積電預計將利用一種新型半導體材料——半金屬鉍,來實現1.4奈米這個新的極限尺寸,以及解決金屬互連的散熱問題。2021年5月,麻省理工學院教授孔靜領導的國際聯合攻關團隊探索了一個新的方向:使用原子級薄材料鉍代替矽,有效地將這些2D材料連接到其他晶片元件上。隨後,台積電技術研究部門將鉍沉積製程進行最佳化,台大團隊則運用氦離子束微影系統將元件通道成功縮小至奈米尺寸,最終這項研究成果獲得了突破性的進展。這種材料被作為2D材料的接觸電極,可以大幅度降低電阻並且提升電流,從而使其能效和矽一樣,為未來實現半導體1nm製程指明了新的發展方向。 當然,晶片製程每一步的突破都是非常艱難的。儘管台積電在1.4奈米這個極限尺寸上已經有了結構和材料上的支撐,將解決2D材料高電阻、低電流等問題,但要真正實現量產,預計遇到的困難要比想像的更多,比如製造2奈米製程還需要光刻機等設備支撐。 不過,除了物理極限、散熱的問題,也需考慮研發的成本與代價的問題。根據完整的摩爾定律定義,積體電路上可以容納的電晶體數目在大約每經過18個月便會增加一倍,同時成本不明顯增加。 隨著新的製程研發和生產投入越來越大,提高新製程的性能越來越不具性價比,甚至新的產品研發製程實現成本之高,已經到了任何一個10億級用戶以下的市場都消化不了的階段。正如有人評價,「半導體製程達到5奈米時,其實已經接近矽基材料的極限,再更進一步到達3奈米及以下,投入的研發代價將非常巨大。生產出來的晶片,還是否具備市場推廣價值都很值得懷疑。按照現在的形勢發展下去,1奈米大概夢裡才會出現!」 據了解,一條7奈米晶圓廠生產線,不算很複雜的話,其投資總金額超過100億美元。那麼,5奈米、3奈米、2奈米呢?如果不考慮成本因素,摩爾定律似乎依然還可以沿著既有的軌道運作,但是如果加入成本的考量,摩爾定律就不是何時終結的問題,而是早已終結了很多年。因此,只有存在一個足夠大到能養活先進製程晶片的市場,才是這場半導體先進製程爭奪戰的根本意義所在。 未來晶片發展的「曙光」 如果要說未來晶片發展方向是什麼?答案有兩個:一是改進;二是創新。 目前改進的大方向有三個:製程技術的提升、研發新架構、先進封裝技術。整體來看,基於矽基的製程技術的提升以及研發新架構、先進封裝技術對提高晶片的性能的空間已不大,而且要實現真正量產還需要從元件架構、製程技術、設備與材料等方面綜合解決。 同時,未來對晶片的運算力要求必定會越來越高,而透過改進的方式提高晶片性能的方法肯定也有「力不從心」的時候。想要晶片運算能力有突破性的進展,改進是不夠的,只有創新。而目前看來,兩個創新的方向比較有希望:碳基晶片和量子晶片。 當矽基晶片突破1奈米之後,量子隧穿效應將使得「電子失控」,晶片失效(確切地說,5奈米甚至7奈米,就已經存在量子隧穿效應)。這種情況下,替換晶片的矽基板,也許是晶片進一步發展的可行出路之一。除了美國之外,一些國家提出利用拓撲絕緣體、2D超導材料,也有國家提出採用化合物半導體,比如氮化鎵(GaN),而中國似乎更看重碳基晶片。 目前,科學界普遍認為碳奈米管自身的材料性能遠優於矽材料,而碳管電晶體的理論極限運作速度可比矽電晶體快5~10倍,而功耗卻降低到其1/10。同時,基於碳奈米管的碳基電子技術歷經20餘年發展,在材料製備、元件和電晶體製備等基礎性問題中也已經取得了根本性突破,其產業化進程從原理上看已經沒有不可逾越的障礙。 早在2013年,美國史丹佛大學就製造出了第一台碳奈米管電腦;而到了2019年8月,美國麻省理工學院發佈了全球第一款碳奈米管通用運算晶片,裡面包含14,000個電晶體,《Nature》雜誌當時連發三篇文章推薦這項成果,可見當時的轟動性。不過,相對手機晶片動輒上百億個電晶體的規模,14,000個碳電晶體還是差得很遠。目前,碳基晶片性能確實超越了同規格的矽基晶片,但製作製程還遠遠不如矽基晶片成熟,即製造出高純度、高密度、排列整齊的碳奈米管陣列。 北京大學院士彭練矛和教授張志勇團隊的科研成果——純度大於99.9999%的8英吋半導體碳奈米管晶圓材料、碳基CMOS邏輯電路晶片、軟性碳基晶片。這可能是最接近實用化的關於碳基晶片的研究。因此,儘管碳基晶片商用還有一段距離,但碳基晶片的未來確實很值得期待。 除了碳基晶片之外,量子晶片也值得關注。可以想像,在未來更高運算力要求下,即使傳統的電子晶片整合精度小到原子尺寸,即逼近經典宏觀物理的臨界點,也無法滿足實際需求之後,那該做怎樣的選擇?那必然是從微觀世界的角度去尋求突破。在「後摩爾時代」,不少科學家將寄希望於量子運算。 量子晶片突破了經典積體電路基於二值邏輯的運算規則,轉而採用量子位元,其整合有大量的量子邏輯單元,可以執行量子資訊處理過程,在諸如量子化學類比、量子人工智慧等諸多領域具有巨大的潛力,可望突破傳統電腦的運算力極限。但是量子電腦仍處於實驗室探索階段,而且對環境要求極為苛刻,距離真正的商用,也還有很長的一段路要走。 因此,目前來看,碳基晶片更有可能成為摩爾定律失效後,晶片運算力的突破口,也將成為未來晶片發展的新曙光。也可以這樣理解,「摩爾時代的結束,也將是一個新時代的開始。」 本文原刊登於EE Times China網站        

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