關(guān)于芯片的那些事兒

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

10年前我們覺得65nm工藝是極限，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工藝是極限，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(lái)加強(qiáng)柵極的控制能力，后者用氧化埋層來(lái)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(lái)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(lái)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。

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(wàn)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(lái)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。

摩爾定律

為了跟上摩爾定律的節(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(lái)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(lái)，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(cè)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(lái)我們來(lái)談一下幾種未來(lái)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(lái)的幾年中啟用全新的半導(dǎo)體材料來(lái)作為繼任者，目前看來(lái)，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。

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

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(mèng)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(lái)世界的潛力，也有不少人把它當(dāng)成是取代硅，成為未來(lái)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。

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(yǔ)

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?；蛟S只有量子計(jì)算、光子計(jì)算才是最終歸宿。