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1納米將成為硅基半導(dǎo)體工藝的終點?

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1納米將成為硅基半導(dǎo)體工藝的終點?

是說芯語 2022-12-01 08:00 發(fā)表于北京

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1納米芯片代表什么?這可不是一個簡單數(shù)字,其背后可能代表著硅基半導(dǎo)體的終結(jié)。

不過,盡管芯片縮微化技術(shù)挑戰(zhàn)越來越大,但先進芯片工藝的探索卻從未停止,即使1納米這樣已接近物理極限的芯片工藝,也被產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界不時曝出一些新進展。近日,財聯(lián)社、臺灣經(jīng)濟日報就曝出,臺積電計劃在桃園龍?zhí)督ㄔO(shè)1納米芯片工廠。

據(jù)悉,三星曾宣布2027年量產(chǎn)1.4nm工藝,臺積電也預(yù)計也是在2027年左右。不過,此次臺積電再次挑戰(zhàn)1納米,可以說是摩爾定律物理極限的工藝節(jié)點。如果臺積電決定新建1納米芯片工廠,那么也代表其已經(jīng)開始為1nm做規(guī)劃,且可能有相關(guān)技術(shù)突破。


ASML稱能保障1nm工藝實現(xiàn)


大家都知道,高端芯片的生產(chǎn)離不開先進的光刻機。而1nm芯片要實現(xiàn)真正量產(chǎn)不僅還需要很長時間,而且還將依賴關(guān)鍵設(shè)備,即下一代EUV光刻機。

據(jù)悉,下一代EUV光刻機必須要升級下一代的高NA(數(shù)值孔徑)標準,從現(xiàn)在的0.33 NA提升到0.55 NA,更高的NA意味著更分辨率更高,是3nm之后的工藝必備的條件。

不過,對于下一代EUV光刻機的供應(yīng),全球光刻機巨頭ASML持樂觀態(tài)度。按照ASML的計劃,下一代EUV光刻機的試驗型號最快2023年就開始出貨,2025年后達到正式量產(chǎn)能力,不過價格也不菲,售價將達到4億美元以上。

今年5月,ASML也曾發(fā)表文章稱,現(xiàn)有技術(shù)可以實現(xiàn) 1nm 工藝,摩爾定律可繼續(xù)生效十年甚至更長時間。

根據(jù)摩爾定律,每隔 18-24個月,封裝在微芯片上的晶體管數(shù)量便會增加一倍,芯片的性能也會隨之翻一番。不過,增加芯片面積、縮小元件尺寸以及優(yōu)化器件電路設(shè)計是實現(xiàn)晶體管數(shù)量翻倍的三個重要因素。

對此,ASML表示,在過去的15年里,很多創(chuàng)新方法使摩爾定律依然生效且狀況良好。從整個行業(yè)的發(fā)展路線來看,它們將在未來十年甚至更長時間內(nèi)讓摩爾定律繼續(xù)保持這種勢頭。

同時,ASML也指出,在元件方面,目前的技術(shù)創(chuàng)新足夠?qū)⑿酒闹瞥掏七M至至少1納米節(jié)點,其中包括gate-all-around FETs,nanosheet FETs,forksheet FETs,以及 complementary FETs等諸多前瞻技術(shù)。此外,光刻系統(tǒng)分辨率的改進(預(yù)計每 6 年左右縮小 2 倍)和邊緣放置誤差(EPE)對精度的衡量也將進一步推動芯片尺寸縮小的實現(xiàn)。

ASML還表示,其EPE路線圖是全方位光刻技術(shù)的關(guān)鍵,將通過不斷改建光刻系統(tǒng)和發(fā)展應(yīng)用產(chǎn)品(包括量測和檢測系統(tǒng))來實現(xiàn)。

從ASML的表態(tài)來看,芯片縮微化仍然有技術(shù)發(fā)展空間,至少在光刻機設(shè)備上將有很好保障,加上通過不斷挖掘新工藝、新技術(shù),探索新方向,1納米芯片工藝未必不可能。


挑戰(zhàn)1納米半導(dǎo)體材料——半金屬鉍


當然,除了關(guān)鍵設(shè)備光刻機之外,要想實現(xiàn)1納米芯片還遠遠不夠,還需從材料上尋求更大的突破。

這里也特別提一下2021年一項學(xué)術(shù)界的研究成果:半金屬鉍(Bi)。針對硅材料達到物理極限的科學(xué)界難題,麻省理工學(xué)院(MIT)的孔靜教授領(lǐng)導(dǎo)的一支國際聯(lián)合攻關(guān)團隊成功攻克了半導(dǎo)體領(lǐng)域的二維材料的連接難題,研發(fā)出半導(dǎo)體新材料——半金屬鉍(Bi)。這項成果直接將使晶圓的先進制程從納米級微觀進入到原子級。

一直以來,盡管科學(xué)界對二維材料寄予厚望,卻苦于無法解決二維材料高電阻、低電流等問題,但使用原子級薄材料鉍(Bi)代替硅,有效地將這些2D材料連接到其他芯片元件,開啟了一個新的研究方向。

據(jù)悉,這項研究是MIT、臺大、臺積電共同合力的成果。自2019年,這三個機構(gòu)便展開了長達1年半的跨國合作。這個重大突破先由孔靜教授領(lǐng)導(dǎo)的MIT團隊發(fā)現(xiàn)在二維材料上搭配半金屬鉍(Bi)的電極,能大幅降低電阻并提高傳輸電流。臺積電技術(shù)研究部門則將鉍(Bi)沉積制程進行優(yōu)化。最后,臺大團隊運用氦離子束微影系統(tǒng)將元件通道成功縮小至納米尺寸,終于獲得突破性的研究成果。

由此可見,未來,原子級薄材料將是硅基晶體管的一種有前途的替代品。

目前,1nm工藝節(jié)點仍處于探索階段,而全球的產(chǎn)學(xué)研各界都在進行著相關(guān)工藝和材料的研究。比如,IBM和三星就曾公布一種在芯片上垂直堆疊晶體管的新設(shè)計,被稱為垂直傳輸場效應(yīng)晶體管,也是可能突破1nm制程工藝瓶頸的技術(shù)路線。

因此,盡管半金屬鉍(Bi)是其中一個技術(shù)選項,但也不能保證臺積電未來量產(chǎn)時確定使用半金屬鉍,不過這也證明臺積電也很早就在1納米芯片工藝上進行了技術(shù)布局,而半金屬鉍(Bi)對芯片工藝縮微化具有十分重要的意義。


1納米以下該怎么辦?


如果芯片工藝進入1納米以下,量子隧穿效應(yīng)大增,將形成“電子失控”,使芯片失效。這種情況下,我們該如何實現(xiàn)?

比利時微電子研究中心(IMEC)就曾表示,搭配全新技術(shù),“摩爾定律要前進多少個世代都不是問題。”該機構(gòu)還表示,1nm制程2027年就可實現(xiàn)商業(yè)化,之后的0.7nm預(yù)計將在2029年后實現(xiàn)量產(chǎn)。這一預(yù)測似乎還比臺積電、三星的預(yù)測更為樂觀。

據(jù)悉,IMEC已經(jīng)與ASML在下一代EUV設(shè)備研發(fā)工作展開深度合作,日本半導(dǎo)體設(shè)備廠商東京電子也參與其中。此外,IMEC還開發(fā)了一種新方法,可以在采用1nm制程工藝技術(shù)構(gòu)建的芯片中使用金屬互連來減輕焦耳熱效應(yīng)。

對于1納米以下工藝,在2019年的Hotchips會議上,臺積電研發(fā)負責人、技術(shù)研究副總經(jīng)理黃漢森(Philip Wong)曾在演講中就談到過半導(dǎo)體工藝極限的問題,且認為到了2050年,晶體管來到氫原子尺度,即0.1nm。關(guān)于未來的技術(shù)路線,黃漢森認為像碳納米管(1.2nm尺度)、二維層狀材料等可以將晶體管變得更快、更迷你;同時,相變內(nèi)存(PRAM)、旋轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)移隨機存取內(nèi)存(STT-RAM)等會直接和處理器封裝在一起,縮小體積,加快數(shù)據(jù)傳遞速度;此外還有3D堆疊封裝技術(shù)。

這里還特別提一下湖南大學(xué)團隊在2021年取得的一個創(chuàng)新研究成果。該團隊實現(xiàn)了超短溝道的垂直場效應(yīng)晶體管(VFET),溝道長度可以縮短到0.65nm,意味著芯片工藝,可以進入到1nm級別,其研究的論文還登上了《Nature Electronics》。

當然,無論是1納米,還是1納米以下芯片工藝,都還停留在技術(shù)驗證階段,甚至還處在實驗室階段,離真正商業(yè)化量產(chǎn)還有很長的距離,但毫無疑問這些前瞻性的研究都在為1納米及以下工藝帶來了更多的希望和可能。也許,很多人對1納米及以下芯片持懷疑態(tài)度,甚至稱“戰(zhàn)略性吹牛”,但毫無疑問,從技術(shù)性原理到實際量產(chǎn)生產(chǎn)還有足夠的時間去驗證和實踐。

作者:張河勛
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