GAA成跨越3納米最佳工藝選項(xiàng)，如何突破技術(shù)限制？

7月20日電，俄羅斯彼爾姆國立國家研究大學(xué)所屬“光子學(xué)”國家技術(shù)倡議能力中心的物理學(xué)家與來自圣彼得堡學(xué)者一起提出了一種提高電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)計(jì)算效率的方法——一種新的光輻射源。研究者對衛(wèi)星通訊社表示，“研究人員創(chuàng)造了一種新的光輻射源。其尺寸與納米電子學(xué)中使用的緊湊型芯片相當(dāng)，但特性使得它可以多倍加速微電路內(nèi)的信息傳輸?！?

近幾年，“摩爾定律面臨失效危機(jī)”的聲音不絕于耳。根本原因在于隨著芯片設(shè)計(jì)及工藝越來越小，芯片制造工藝不斷接近物理極限和工程極限，芯片性能提升也逐步放緩，且成本不斷上升。然而，近日，芯片代工龍頭臺積電宣布開始開發(fā)1.4納米工藝之后，引發(fā)了業(yè)界對先進(jìn)芯片工藝技術(shù)的質(zhì)疑。從另外一個(gè)層面來看，這在一定程度上也是臺積電對三星宣稱在2025年量產(chǎn)2納米工藝技術(shù)的回應(yīng)。

面對業(yè)界的質(zhì)疑聲，目前以臺積電、三星等為代表的芯片代工廠商似乎仍在努力突破極限，為摩爾定律“續(xù)命”。預(yù)計(jì)，相對IBM以通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2納米試產(chǎn)，臺積電的1.4納米工藝技術(shù)預(yù)計(jì)還將利用聯(lián)合臺大、麻省理工共同研發(fā)出的一種新型半導(dǎo)體材料——半金屬鉍，以采用新材料的方法改進(jìn)互聯(lián)接觸點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)先進(jìn)芯片工藝技術(shù)的突破。那么，隨著技術(shù)工藝無限接近硅晶體管的物理極限，未來芯片的發(fā)展極限是什么呢?

GAA成跨越3納米最佳工藝選項(xiàng)

當(dāng)前，以5G、AI、元宇宙等為代表的新興科技產(chǎn)業(yè)快速崛起，對低功耗、小尺寸、異質(zhì)整合及超高運(yùn)算速度的芯片架構(gòu)技術(shù)提出了更高的要求，也成為芯片巨頭決勝的重要手段。然而，剛剛跨過5納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)，臺積電、三星、英特爾又在3納米及以下展開了新的先進(jìn)工藝競賽。

實(shí)際上，自英特爾于2012年在22納米芯片引入創(chuàng)新立體架構(gòu)的“鰭式晶體管”(FinFET)之后，全球半導(dǎo)體業(yè)者都在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)更先進(jìn)的芯片。目前最先進(jìn)的5納米工藝也是采用FinFET 架構(gòu)來制作。而臺積電在FinFET 技術(shù)架構(gòu)上拔得頭籌，于2020年成功投入量產(chǎn)。不過，隨著技術(shù)工藝微縮至3納米時(shí)，F(xiàn)inFET從架構(gòu)上已很難滿足要求，因?yàn)闀a(chǎn)生電流控制漏電的物理極限問題。

那么，進(jìn)入3納米及以下工藝，要用什么新工藝?yán)^續(xù)提升晶體管密度呢?答案就是繼續(xù)“立體化”。簡單來說：如果能將晶體管像積木一樣堆疊起來，那么就能有效減少電路的占位面積，那么晶體管的密度或許就能翻倍。新的工藝——GAA工藝(Gate-All-Around，全環(huán)繞柵極晶體管)就是沿著這個(gè)思路而誕生的。

盡管臺積電也曾表示，3nm芯片量產(chǎn)時(shí)間為今年下半年，并且鑒于成本和新工藝磨合問題，將繼續(xù)采用FinFET工藝，但從原理上來說，要想基于硅基芯片在單位面積的芯片上放下更多的晶體管，以3納米工藝為節(jié)點(diǎn)，基本上是要放棄FinFET架構(gòu)，需要采用新的GAA工藝挑戰(zhàn)摩爾定律極限。何況此次臺積電又目標(biāo)指向1.4納米工藝技術(shù)。

這里順便介紹一下GAA工藝。我們可以把GAA工藝?yán)斫獬赡壳癋inFET的升級版，其相關(guān)的想法最早在1988年被提出。這項(xiàng)技術(shù)允許設(shè)計(jì)者通過調(diào)整晶體管通道的寬度來精確控制性能和功耗，而較寬的材料便于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(gòu)造上主要有兩種形態(tài)，都可以實(shí)現(xiàn)3nm，取決于具體設(shè)計(jì)：一是環(huán)繞式閘極場效晶體管(Gate-All-Around FET ;GAAFET )，采用三層納米線來構(gòu)造晶體管(nanowire)，柵極比較薄;二是三星已經(jīng)采用的MBCFET(Multi-Bridge-Channel)晶體管結(jié)構(gòu)(多橋溝道場效應(yīng)管)，其使用納米片構(gòu)造晶體管，將原有FinFET工藝中鰭狀改良成多路橋接鰭片，截面為水平板狀或者水平橢圓柱狀。據(jù)悉，三星已經(jīng)為MBCFET注冊了商標(biāo)。

根據(jù)國際器件和系統(tǒng)路線圖(IRDS)規(guī)劃，在2021-2022年以后，F(xiàn)inFET結(jié)構(gòu)將逐步被GAAFET結(jié)構(gòu)所取代。該架構(gòu)即通過更大的閘極接觸面積提升對電晶體導(dǎo)電通道的控制能力，從而降低操作電壓、減少疏漏電流，有效降低芯片運(yùn)算功耗與操作溫度。相對而言，GAAFET技術(shù)將溝道四側(cè)全部包裹，F(xiàn)inFET的柵極僅包裹溝道三側(cè)。

據(jù)悉，GAAFET 的芯片架構(gòu)相比于FinFET，能以更小的體積實(shí)現(xiàn)更好的功耗表現(xiàn)，實(shí)際可縮減45%芯片面積、同時(shí)降低50%的能耗。至于1.4納米工藝技術(shù)，臺積電必然也會采用GAAFET 架構(gòu)，并藉由導(dǎo)入低維度高電子遷移率材料以及特殊絕緣層材料等，來強(qiáng)化其在先進(jìn)工藝的競爭優(yōu)勢。GAAFET架構(gòu)儼然已成為下一世代延續(xù)摩爾定律的最佳選項(xiàng)。

目前，手機(jī)處理器是7nm，臺積電即將量產(chǎn)5nm芯片，未來還有3nm、2nm，甚至1nm。根據(jù)臺積電研發(fā)負(fù)責(zé)人在談?wù)摪雽?dǎo)體工藝極限問題時(shí)，認(rèn)為到了2050年，晶體管可以達(dá)到氫原子尺度，即0.1nm，那么半導(dǎo)體工藝的“物理極限”是什么呢?

首先，我們了解一下芯片的制程工藝。華為的麒麟990處理器，指甲殼大小，集成了上百億的晶體管，單個(gè)晶體管的結(jié)構(gòu)如下圖所示▼

在晶體管中，電流是從源極(Source)流向漏極(Drain)，而柵極(Gate)相當(dāng)于閘門，主要負(fù)責(zé)兩端源極和漏極的通斷。通代表1，斷代表0，這樣就實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)世界的0、1運(yùn)算。柵極的寬度，也稱為刪長，就是所說的xx nm制程工藝。

通常來說，制程工藝越小，晶體管刪長越小，電流通過時(shí)的損耗越少，表現(xiàn)出來就是手機(jī)常見的發(fā)熱和功耗。同時(shí)，單位面積的芯片可以容納更多的晶體管。因此，晶圓代工廠不斷的升級技術(shù)，力求將柵極寬度做的越來越窄。然而，工藝的提升會受到光刻機(jī)技術(shù)、芯片“物理極限”等多方面因素的限制。

如何突破技術(shù)限制?

①更換材料。目前，芯片采用的是硅基半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，根據(jù)臺積電的規(guī)劃，今年實(shí)現(xiàn)5nm工藝，2022年實(shí)現(xiàn)3nm工藝，2024年實(shí)現(xiàn)2nm工藝，正在逼近1nm。2017年，IBM科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，使用碳納米材料，制造出了1nm的晶體管，1nm工藝后的芯片，可能采用納米片、碳納米管等新材料。

②結(jié)構(gòu)的升級。目前，芯片制造采用了FinFET結(jié)構(gòu)，隨著工藝的提升，F(xiàn)inFET技術(shù)探底，新的結(jié)構(gòu)將會誕生。2nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)將會愛用Forsheet結(jié)構(gòu)，1nm節(jié)點(diǎn)是采用CFET結(jié)構(gòu)。芯片最小能做到多小?目前的硅基物質(zhì)材料芯片，已經(jīng)做到5nm大小。臺積電公司預(yù)計(jì)2020年底2021年初可以量產(chǎn)5nm芯片。而三星電子預(yù)計(jì)2022～2023年可以量產(chǎn)3nm硅基芯片。根據(jù)相應(yīng)的物理定律，硅基芯片最小可以做到3nm。達(dá)到3nm之后的硅基芯片該如何突破?答案可能在新材料上。

3nm硅基芯片受限與晶體管熱效應(yīng)的因素，在小的話可能就無法容納更多的晶體管數(shù)量，而無法提高運(yùn)算速度。

現(xiàn)在的新材料中下一代的晶體管可能會從“石墨烯，碳納米管，鍺，砷化鎵，氮化鎵，砷化銦鎵，銻化鎵”這七種材料中選擇出具有發(fā)熱小，電子遷移率高，承載電流大性能的材料出來。

目前已經(jīng)在“碳納米管，砷化銦鎵，氮化鎵”這三種材料用于制造晶體管了，并且取得了一些進(jìn)展。

。碳納米管。2019年美國一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)就在碳基芯片上集成了1.4萬個(gè)碳納米管晶體管，但是相比于如今硅基芯片上數(shù)十億個(gè)晶體管的確是有天壤之別。所以說，碳納米管制作晶體管還有很長的一段路要走。我國已經(jīng)研制出了3納米的碳納米管，正在向0.5納米的碳納米管進(jìn)發(fā)。砷化銦鎵，在2012年，受早期關(guān)于納米線晶體管和超晶格結(jié)構(gòu)研究的啟發(fā)，科研人員就用砷化銦鎵構(gòu)造了三層納米片器件晶體管，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果好于預(yù)期。