晶片製程的升級從90奈米(nm)、65nm、45nm、32nm、22nm、14nm到現在的10nm、7nm,其中XX nm指的是,CPU上形成的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)閘極的寬度,也被稱為閘長。數十年來,電子產業一直循「摩爾定律 (Moore’s law)所設定的開發藍圖——晶片上可容納的電晶體數量大約每隔兩年增加1倍。

目前製程節點的現狀是,摩爾定律逐漸放緩,英特爾(Intel)在今年才正式進入到10nm時代,將在後年轉入7nm,而這比原定計劃最少也要晚了兩年。而且權威的國際半導體機構已經不認為摩爾定律的縮小可以繼續下去了,比如ITRS宣佈不再制定新的技術路線圖。摩爾定律這位「花甲老人」真的走不動了嗎?看來未必。

摩爾定律真的放緩了嗎?

摩爾定律真的放緩了嗎?可是筆者看到另一番景象,三星(Samsung)和台積電(TSMC)等廠商異常活躍,怎麼都感覺它們正上演著一場場製程「誰比誰先進」的爭奪戰。世界上有能力能玩7nm、5nm甚至是3nm晶片製造製程的企業也就他們兩家了。即使摩爾定律有所放緩,但並不意味著將失效。

今年台積電和三星已經相繼宣佈成功研發出了5nm製程,並表示將會在明年投入量產。在此之後,三星率先發佈自家3nm進度,號稱2021年將以3nm超越對手;而台積電計畫跳過3nm,直接研發2nm的製程,開始極限操作,預計2024年投產。三星與台積電鬥得難解難分,對他們來說,製程上的勝負或許就是拉開差距的關鍵,看來,對於晶片製程的探索,大廠商們還都沒打算就此停下。

根據Imec預測,半導體製程特徵尺寸在接下來幾個節點會繼續以個位數nm微縮,但在2nm節點的40nm閘極長度與16nm金屬間距之後,恐怕不會再往下縮小。如果這樣,可能導致晶片性能無法因應最高階應用需求。那些最渴望晶片性能提升的業者,會願意從FinFET電晶體轉向更小巧的nm片架構;而那些專注於為行動裝置應用縮小晶片佔位元面積,以及功耗的IC廠商,或許會希望能「賴」著FinFET有多久是多久。

20190628NT61P1 Imec展示的技術藍圖。

nm片(NS)結構電晶體性能預期在未來的每一個節點都會超越FinFET(FF),如下圖所示。

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一些物理學家,甚至是提出了摩爾定律的Gordon Earle Moore本人,都認為摩爾定律將在2020年左右失效。可是,國際大廠三星與台積電不但沒停止對晶片製程的繼續探索,而且還正上演著一場先進製程的爭奪戰…

台積電宣佈啟動2nm的製程研發,但並沒有透露2nm製程所需要的技術和材料,看電晶體結構示意圖(下圖)和目前並沒有明顯變化,看來會繼續壓榨矽半導體技術,接下來就看能不能做到1nm了。

20190628NT61P3 台積電宣佈啟動2nm製程研發:預計2024年投產。

新思科技研究人員兼電晶體專家Victor Moroz表示,到了未來的技術節點,間距微縮將減緩至每世代約0.8倍左右。當間距微縮至2nm之時,都還可採用矽晶體作為半導體材料,而在2nm之後,可能會開始使用石墨烯。

1nm製程技術與設備已出現但能否量產還未知

早在2016年10月,勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)宣佈,研究人員已經成功研發出了尺寸僅有1nm的電晶體。這個1nm電晶體由奈米碳管和二硫化鉬(MoS2)製作而成。二硫化鉬將擔起原本半導體的職責,而奈米碳管則負責控制邏輯門中電子的流向。另外,美國布魯克黑文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory,簡稱BNL)的研究人員在2017年5月宣佈,開發出可以達成1nm製程的相關技術與設備。布魯克黑文國家實驗室的1nm製程跟目前的光刻製程有很多不同,比如使用的是電子束而非雷射光刻,所用的材料也不是矽基半導體而是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)之類,下一步他們打算在矽基材料上進行嘗試。

已經出現的1nm製程技術與設備,因為與目前的半導體製程技術存在明顯的差異,所以都不會很快投入量產。

英特爾技術長Mike Mayberry主張:「摩爾定律仍持續有效,只是以各種功能、架構搭配組合(mix-and-match)的功能演進,以因應資料的氾濫。」

摩爾定律究竟會如何繼續——從材料入手?

台積電表示,預計2024年量產2nm製程,如果能夠成功量產,那麼意味著半導體生產技術在現有的條件下降逼近物理極限。未來是繼續最佳化還是走向其他路線,都要由2nm技術實現的進度來定。

當製程突破物理極限之後,再想尋求新的製造技術就不能單純的從縮小閘長上做文章了,畢竟已經小到了2nm。在這樣的情況下,只能從材料上入手,透過改變材料從而改變特性,進而再有所突破。

為了盡可能地延續摩爾定律,有效地避免半導體產業整體下滑。科研人員也在想盡辦法,比如尋求矽的替代材料。學術界五花八門的各種新材料新技術,石墨烯電晶體、隧穿電晶體、負電容效應電晶體、碳nm管…等。這些都可以看作是拯救摩爾定律的「組合拳」。

1.GaN、SiC

目前最夯的第三代半導體GaN、SiC已經能夠規模量產,且被視為摩爾定律的後繼力量,憑藉其寬能係、高熱導率、高擊穿電場、高抗輻射能力等特點,在許多應用領域擁有前兩代半導體材料無法比擬的優點,有望突破第一、二代半導體材料應用技術的發展瓶頸,市場應用潛力巨大。

2.石墨烯

石墨烯被視為是一種夢幻材料,它具有很強的導電性、可彎折、強度高,這些特性可以被應用於各個領域中,甚至具有改變未來世界的潛力,也有不少人把它當成是取代矽,成為未來的半導體材料。但是真正把它應用於半導體領域,還需要克服不少的困難。

20190628NT61P4 石墨烯呈六邊形結構。

其一,因為石墨烯本身的導電性能太好,它沒有能隙,也就是只能開,而不能關,這樣不能實現邏輯電路。如果要利用石墨烯來製造半導體元件,需要在不破壞石墨烯本身特有的屬性下,在石墨烯上面植入一個能隙。目前已經有不少針對這方面的研究,但要真正解決這個問題還有待時日。

其二,因為石墨烯邊緣的六元環並不穩定,容易形成五元環或七元環,往往獲取的石墨烯是多個畸形環所連成的多晶,從而影響本身的特性,這樣生產出來的石墨烯就喪失了作為材料的意義了。

3.矽烯

因為矽和碳具有相似的化學性質,研究人推測矽原子也可以像石墨烯那樣,原子呈蜂窩狀排列,形成矽烯這種物質。矽烯相比於石墨烯的重要不同,就是矽烯擁有可以實現邏輯電路所必要的能隙。

20190628NT61P5 具有相似結構的矽烯,可能是比石墨烯更好的方案。

在空氣中,矽烯具有極強的不穩定性,即使在實驗室中,矽烯的保存時間也很短。如果要製作矽烯電晶體,還需要嘗試透過添加保護塗層等手段,保證矽烯不會變性,才可能應用於實際當中。可見矽烯的應用面臨著重重困難,但它仍然有超越老大哥石墨烯,成為理想的半導體材料的希望。

4.奈米碳管

碳奈米電晶體是由奈米碳管作為溝道導電材料製作而成的電晶體,其管壁只有一個原子厚,這種材料不僅導電性能好,而且體積能做到比現在的矽電晶體小100倍。另外,奈米碳管電晶體的超小空間使得它能夠快速改變流經它的電流方向,因此能達到5倍於矽電晶體的速度或能耗只有矽電晶體的1/5。

20190628NT61P6 464奈米碳管電晶體模型。

但按照傳統的做法,奈米碳管內通常會混雜一些金屬奈米管,但是這些金屬奈米管會造成電子裝置短路,從而破壞奈米碳管的導電性能。大概在2016年9月左右,威斯康辛大學麥迪遜分校(University of Wisconsin-Madison)的研究人員另闢蹊徑,他們利用聚合物取代了幾乎所有的金屬奈米管,將金屬奈米管的含量降到0.01%以下,這樣的做法大大提升了導電性能。

北京大學電子系教授彭練矛帶領團隊也於2017年初就成功使用新材料奈米碳管製造出晶片的核心元元件——電晶體,其工作速度比英特爾最先進的14nm商用矽材料電晶體快3倍,能耗只有其四分之一。

5.二硫化鉬

二硫化鉬和奈米碳管一起已被勞倫斯柏克萊國家實驗室用來成功研發1nm製程,不同於矽,流過二硫化鉬的電子變重,在門電路長度在1nm時也能對電晶體內的電流進行控制。

另一方面因為採用二硫化鉬做為半導體材料,但光刻技術還跟不上相應水準,所以實驗室團隊採用空心圓柱管直徑只有1nm的奈米碳管。這種奈米碳管和二硫化鉬製成的閘極正好可以有效控制電子,避免「量子隧穿效應」發生。

6.III-V族化合物半導體

III-V族化合物半導體是以III-V化合物取代FinFET上的矽鰭片,與矽相比,由於III-V化合物半導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作在更高的頻率下。

比起其他替代材料,III-V族化合物半導體沒有明顯的物理缺陷,而且跟目前的矽晶片製程相似,很多現有的技術都可以應用到新材料上。目前需要解決的最大問題,恐怕就是如何提高晶圓產量並降低製程成本了。

7.二維原子晶體材料

二維原子晶體材料簡稱二維材料,因載流子遷移和熱量擴散都被限制在二維平面內,使得相關元件擁有了較高的開關比、超薄溝道、超低功耗而受到了廣泛關注。

與此同時,二維材料卻又因為在大面積高品質薄膜及異質結構的可控生長、發光元件效率較低、高性能二維元件製備及系統整合製程上遇到了瓶頸,也使得相關從業者在這些方面上展開了研究。伴隨著研究的深入,二維材料由於其能隙可調的特性,使之在場效應管、光電元件、熱電元件等領域應用廣泛。

小結

即使矽製程快將走到盡頭,未來仍可能有多種替代方案來接替矽的位置,並使摩爾定律繼續延續下去。但就目前而言,究竟哪種材料會首先接替矽的位置,暫時不能明確知曉,讀者們是怎麼想的呢?