1nm以下制程获得重大突破 摩尔定律的“续命丹”来了?

2021年05月22日 15:08 次阅读 稿源:集微网 条评论

虽然“摩尔定律接近尾声”的声音不绝于耳,但IC业界对于更先进工艺制程的研究突破却持续在为其“续命”。继IBM宣称试产2nm芯片还没“上头条”太久,台积电便联合台大、麻省理工宣布研发出一种新型半导体材料——半金属铋,在1nm以下制程获得重大突破。

IBM的2nm与台积电的1nm有何不同?未来的摩尔定律还将“维系”多久?

殊途同归?

半个世纪以来,摩尔定律作为指引半导体业发展的“金科玉律”,一路高歌猛进。从最初的数微米开始,数十年时间就已进阶到主流的7nm、5nm,而3nm亦即将量产。而相继在2nm与1nm的突破,能否让摩尔定律再次“延期”?

细究起来,其实IBM和台积电路线不一,而效果是“殊途同归”。

正如半导体行业人士陈穰所言,IBM的2nm试产是通过改进结构实现,而台积电的1nm更多是采用新材料改进了互联接触点。

从结构来看,随着特征尺寸的不断缩小,栅极对于沟道的控制能力减弱,则必须引入新的器件结构以满足晶体管的要求。

工艺的进阶历程也可看到这一趋势:平面工艺晶体管的特征尺寸缩小过程持续了数十年,之后难以为继;到了2013年下半年16/14nm节点正式引入FinFET,然而FinFET仅仅维持了10年不到,2020年左右的3nm节点就有可能已转入GAA,三星已推出了改良版环绕型晶体管结构MBCFET。

需要指出的是,在平面器件中,沟道只有一面面对栅极;在FinFET工艺中,立体沟道三面都被栅极围绕;到了GAA,沟道由纳米线构成,而纳米线的四面都被栅极围绕,从而再度增强栅极对于沟道的控制能力。

但GAA又能维持多久呢,答案恐难乐观。有技术专家对此表示,目前来看GAA在3nm、2nm工艺被采用,但有可能就延续两代或两代半,到1nm时有可能转向采用CMOS结构的CFET。

再次拉长时间来看,摩尔定律的终结看来仍无法逆转。正如陈穰直言,尽管GAA等立体晶体管结构可为摩尔定律续命,但迟早有一天不断微缩的晶体管将逼近物理极限,特别是晶体管的特征尺寸——栅极宽度已经小到真的很难控制了,是不可能永无止境的。

解决发热是关键?

仔细审视,摩尔定律的核心是物理极限、散热和成本。

“这其中关键点就是散热。100亿个晶体管集成在小小的空间中,任何电流经过都不可避免地带来发热,晶体管数量翻倍带来的巨大发热量,导致芯片内部会变成一个大火炉,这个问题一直制约着晶体管数量的翻倍,可以说业内一直寻找各种各样的办法与发热做斗争。”陈穰谈到。

陈穰进一步介绍,发热来自两个部分,一是晶体管本身工作时带来的热量,第二是金属互联层带来的热量。

因而业界一直两路并进。陈穰分析,一方面在寻找各种性能更佳、可替代硅晶体管的材料。另一方面就是寻找现有金属互联层的替代材料,包括阻挡层、接触点材料等。

目前业内主流是认为碳纳米管技术是未来取代硅晶体管、可大幅降低功耗的可行性方案。但陈穰提及,碳纳米管仍存在一系列设计、制造和功能上的问题,需要逐步加以克服,如果解决了各方面的技术难题,或许碳纳米晶体管有朝一日取代硅。

金属互联层的作用是可将所有晶体管的源端、漏端、栅极链接起来,以统一控制各个晶体管进行工作,实现大规模高速运算。对于降低金属互联层的发热问题,陈穰指出,这有两大改进方向,一是改变接触点材料,二是改进金属互联层以及外部阻挡层材料,两者目标都直指改进漏电、减少发热。

台湾资深业界专家也认为,互联决定金属的特性及和硅共晶后的稳定性,在不同工艺节点所用的材料都不同。因为半导体底层结构是硅,而上层相连的接线需要低阻抗、高导电金属等。不同材料性质不同,可能无法共晶,也可能会腐蚀,故需要一种能同时和硅、铜等稳定形成共晶而且不会腐蚀的金属材料。

如今,金属互联层已从6英寸制程的铝互联,进阶到8英寸的钨,到12英寸工艺则大量使用铜互联,14nm以下英特尔则开始尝试用钴。而台积电宣布用“铋”材料来解决金属互联问题或在未来获得成功陈穰谈及,新材料的实用化还需不断探索,中间会有不小的难度,比如如何将铋沉积等需着力解决。

但求新求变金属互联层,也不得不直面被颠覆的“命运”。陈穰着重说,未来可能采用“光互联层”即硅光技术代替金属互联,以解决芯片内部互联问题。因为光子不携带能量,因此其功耗相对于金属互联材料的万分之一都不到,好处不言而喻。而且从更长远来看,光子计算或将替代硅晶体管,其算力将远超目前的传统芯片。

只能说,技术的进阶超乎想象。

28nm仍是大陆基本盘

虽然先进工艺的进展多路并进,但处于大国博弈大变局下的大陆代工业,仍需以28nm为“主力盘”。

中国大陆芯片代工没法追赶世界最先进制程,不只是最先进的EUV光刻机迟迟搞不到这一个环节的问题,EDA、IP、设备等的严重滞后也极大地制约了代工进程,历史的欠账显然不是一日形成的。

在危机四伏的时刻,现如今的形势更加微妙,台积电不仅在美大笔扩建5nm厂,还将在南京着力扩建28nm产能,与大陆代工巨头中芯国际28nm产能的扩建基本“前后脚”,可以说正面对决难以避免。

尽管业界对台积电重启28nm战线众说纷纭,是大陆帮手还是美国帮凶的争议不断。但业界知名专家对此说,对于台积电自己的商业决定,恐不能进行太多干涉,毕竟台积电既不是军工企业,也不是商务部黑名单企业,更不是发改委限制的落后产业,只要台积电不搞限制行业竞争的垄断手段,就不能随意阻止台积电投资,守住不提供超国民待遇就行了。但半导体代工业竞争直面全球化,而台积电与中芯国际在历史上已产生了诸多恩怨纷争,竞争从一开始就是硬碰硬,只是如今将更加残酷。可以说,无论台积电等境外公司是否来大陆投资,大陆代工业都应持续自主创新,加快提升竞争力才是王道。

半导体业已然进入承载大国崛起荣与辱的历史节点,它已不仅仅是企业层面的事情,更是与国运生生绑定在一起的。在美欧日韩均合纵连横、大笔押注芯片制造业回流和先进工艺的时刻,或许拯救中芯国际就是拯救大陆半导体业。(校对/清泉)

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