芯東西12月24日?qǐng)?bào)道，隨著芯片制程演進(jìn)愈加艱難，晶體管微縮正面臨物理極限的天花板。但英特爾、東京電子等芯片供應(yīng)鏈巨頭已將制程路線(xiàn)圖推進(jìn)到埃米一級(jí)（1 ?=0.1nm=10^-10 m），甚至計(jì)劃在原子級(jí)別上構(gòu)建新的晶體管。

今年以來(lái)，臺(tái)積電、英特爾、三星等半導(dǎo)體巨頭都在晶體管結(jié)構(gòu)和二維半導(dǎo)體材料領(lǐng)域發(fā)布了重量級(jí)的研究成果，誰(shuí)也不肯落后對(duì)手一步。臺(tái)積電在5月份剛剛發(fā)布用半金屬鉍解決二維半導(dǎo)體材料高電阻問(wèn)題的研究，英特爾就在剛剛結(jié)束的IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議（International Electron Devices Meeting，IEDM）上發(fā)布了基于另外兩種半金屬的二維半導(dǎo)體材料研究。

此外，英特爾、三星和IBM也在IEDM這一頂級(jí)半導(dǎo)體、電子論壇上發(fā)表了新的晶體管研究進(jìn)展。隨著芯片制程的不斷演進(jìn)，誰(shuí)能先對(duì)手一步實(shí)現(xiàn)晶體管微縮，誰(shuí)就能掌握未來(lái)芯片乃至科技領(lǐng)域的話(huà)語(yǔ)權(quán)，這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)甚至可能決定誰(shuí)是未來(lái)十年的芯片霸主。

芯東西將通過(guò)今年最新的晶體管結(jié)構(gòu)和二維半導(dǎo)體材料研究進(jìn)展，揭示在埃米級(jí)別的晶體管結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)這場(chǎng)凝聚人類(lèi)技術(shù)結(jié)晶的競(jìng)爭(zhēng)。

01從平面到立體，英特爾實(shí)現(xiàn)，55nm柵極間距自對(duì)準(zhǔn)3D晶體管

晶體管作為芯片中最基本的單元，其結(jié)構(gòu)革新一直是芯片制程演進(jìn)的重要方向。作為此前的芯片霸主，英特爾一直在探索最新的芯片制程。

在英特爾內(nèi)部，有一個(gè)名為英特爾組件研究的部門(mén)專(zhuān)注于前沿研發(fā)，該團(tuán)隊(duì)被稱(chēng)作“英特爾技術(shù)研發(fā)部門(mén)中的研究團(tuán)隊(duì)”，也是今年在IEDM會(huì)議上英特爾論文的作者。

今年IEDM英特爾在硅基3D堆疊的RibbonFET晶體管結(jié)構(gòu)和依序堆疊的CFET晶體管結(jié)構(gòu)上都取得了研究進(jìn)展，為了方便理解，英特爾給出了一個(gè)比較詳細(xì)的演進(jìn)過(guò)程。

自2011年FinFET結(jié)構(gòu)被推出以來(lái)，晶體管結(jié)構(gòu)就從平面逐漸走向了3維，這也是行業(yè)中普遍采用的一種方案。

▲傳統(tǒng)的平面晶體管結(jié)構(gòu)（左）和FinFET晶體管結(jié)構(gòu)（右）（圖片來(lái)源：英特爾）

今年7月，英特爾公布了自己的RibbonFET晶體管結(jié)構(gòu)以及新的制程命名方案。RibbonFET是英特爾對(duì)Gate All Around（GAA，全環(huán)繞柵極）晶體管的實(shí)現(xiàn)，計(jì)劃被用于英特爾20A節(jié)點(diǎn)上。

▲RibbonFET晶體管結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：英特爾）

雖然今年英特爾才正式發(fā)布了RibbonFET晶體管結(jié)構(gòu)，但其實(shí)英特爾早已開(kāi)始探索和研究將PMOS和NMOS兩極垂直堆疊的晶體管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使晶體管面積縮小了一半。

一般來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)3D堆疊的方式有兩種。一種是依序（sequential），即先把下面一層做好，在做上一層實(shí)現(xiàn)堆疊結(jié)構(gòu)；第二種是自對(duì)準(zhǔn)（Self-aligned），可以直接在一片晶圓上同時(shí)進(jìn)行兩層晶體管的制造。

自對(duì)準(zhǔn)相比依序方法，其實(shí)現(xiàn)難度更高、工序更加復(fù)雜，但是應(yīng)用這種方法大規(guī)模生產(chǎn)的晶體管制造時(shí)間和成本更低。

早在2019年，英特爾就發(fā)布了一篇將硅基PMOS堆疊在氮化鎵NMOS的研究。同時(shí)，英特爾還推出了一種將鍺基（Ge）RibbonFET PMOS依序堆疊在了硅基FinFET NOMS上的CFET（互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管）結(jié)構(gòu)。

▲英特爾2019年發(fā)布的兩種晶體管結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：英特爾）

2020年，英特爾實(shí)現(xiàn)了3D堆疊的multi-RibbonFET硅晶體管，而且這是采用了自對(duì)準(zhǔn)的工藝，這代表英特爾不用先后制作上下部分進(jìn)行封裝，而是同時(shí)堆疊制造上下晶體管，減少了制作工序、時(shí)間和成本。

▲采用自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的3D堆疊multi-RibbonFET硅晶體管（圖片來(lái)源：英特爾）

今年的IEDM上，英特爾再次發(fā)表了有關(guān)硅基3D堆疊的RibbonFET晶體管結(jié)構(gòu)和依序堆疊的CFET晶體管結(jié)構(gòu)研究。其中，英特爾依序?qū)崿F(xiàn)的CFET晶體管達(dá)到了“創(chuàng)紀(jì)錄”的性能，而自對(duì)準(zhǔn)multi-RibbonFET 硅晶體管實(shí)現(xiàn)了55nm的柵極間距。

英特爾稱(chēng)，這種3D堆疊實(shí)現(xiàn)了30%-50%的面積提升。英特爾制造、供應(yīng)鏈和營(yíng)運(yùn)集團(tuán)副總裁兼戰(zhàn)略規(guī)劃部聯(lián)席總經(jīng)理盧東暉曾感慨，為了實(shí)現(xiàn)晶體管微縮，各個(gè)公司簡(jiǎn)直用盡了元素周期表上的元素，很多新材料就連自己這樣的材料學(xué)博士也沒(méi)有接觸過(guò)。

▲英特爾分別用依序和自對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)突破（圖片來(lái)源：英特爾）

02東京電子路線(xiàn)圖直指0.7nm，IBM、三星聯(lián)合發(fā)布新晶體管結(jié)構(gòu)

除了英特爾，臺(tái)積電、三星、IMEC（比利時(shí)微電子研究中心）、IBM等廠(chǎng)商和科研機(jī)構(gòu)都在研發(fā)新的晶體管結(jié)構(gòu)。

2017年，IMEC首次公開(kāi)提出Forksheet器件結(jié)構(gòu)用來(lái)微縮SRAM，2019年IMEC又將這一器件結(jié)構(gòu)用在邏輯芯片標(biāo)準(zhǔn)單元中。仿真結(jié)果顯示，F(xiàn)orksheet已比傳統(tǒng)納米片有10%的速度增益。

根據(jù)東京電子今年10月發(fā)布的邏輯芯片路線(xiàn)圖來(lái)看，這種Forksheet器件結(jié)構(gòu)將用于1.4nm節(jié)點(diǎn)上，其芯片密度將是2nm的1.65倍。

▲東京電子從FinFET到第二代CFET的邏輯芯片路線(xiàn)圖（圖片來(lái)源：東京電子）

今年的IEDM會(huì)議上，IBM和三星共同宣布了一種新的垂直晶體管架構(gòu)VTFET。

由于FinFET晶體管性能受到嚴(yán)重的縮放限制，VTFET則保持了良好的靜電和寄生參數(shù)，在同等功率下VTFET晶體管提供了縮放FinFET晶體管2倍的性能，而在等效頻率下，VTFET可以節(jié)省85%的功率。

IBM稱(chēng)，這種新的晶體管結(jié)構(gòu)能夠使半導(dǎo)體器件持續(xù)微縮、提升手機(jī)使用時(shí)間、降低加密采礦等能源密集型流程功耗，以及使物聯(lián)網(wǎng)和邊緣設(shè)備能夠在更多樣的環(huán)境中運(yùn)行等。

▲IBM/三星的VTFET晶體管結(jié)構(gòu)和FinFET晶體管結(jié)構(gòu)對(duì)比（圖片來(lái)源：IBM）

03臺(tái)積電率先突破高電阻難題，英特爾制備方法兼容當(dāng)前產(chǎn)線(xiàn)

除了晶體管結(jié)構(gòu)，新材料是維持制程演進(jìn)的另一關(guān)鍵因素。當(dāng)前晶體管中電流通道往往采用硅基材料，但是硅基材料的問(wèn)題在于不斷微縮后會(huì)出現(xiàn)量子效應(yīng)，難以適用于更小的晶體管中。

相比硅基材料，二維半導(dǎo)體材料天生具有實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制程的潛力。目前，較有代表性的二維半導(dǎo)體材料是過(guò)渡金屬硫化物（TMD），如二硫化鎢（WuS2）、二硫化鉬（MoS2）等。

▲r-TMD薄膜的結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：Nature）

而二維半導(dǎo)體材料應(yīng)用面臨的最大障礙是其獨(dú)特結(jié)構(gòu)帶來(lái)的高電阻、低電流困難以及如何兼容當(dāng)前工藝流程進(jìn)行大規(guī)模批量生產(chǎn)等問(wèn)題。

今年5月份，臺(tái)積電、臺(tái)灣大學(xué)和麻省理工學(xué)院聯(lián)合在Nature上發(fā)表了用半金屬鉍作為接觸電極的研究，在單層MOS2上實(shí)現(xiàn)了123微歐姆米的接觸電阻率和1135μA/μm的電流密度，實(shí)現(xiàn)了在電阻率和電流密度上的突破。這使二維半導(dǎo)體尺寸有望接近量子極限，成為1nm制程的關(guān)鍵技術(shù)突破。

▲具有單層半導(dǎo)體（MoS2）的二維場(chǎng)效應(yīng)晶體管原理圖（圖片來(lái)源：Nature）

英特爾在二維半導(dǎo)體材料的研究上也不甘落后，在今年的IEDM會(huì)議上，其發(fā)布了采用銻（Sb）和釕（Ru）用作NOMS和PMOS接觸電極的研究。憑借該研究，英特爾將晶體管通道從FinFET結(jié)構(gòu)的15nm縮短到了5nm。

英特爾還制作了四種TMD薄膜，分別是MoS2、WS2、WSe2和MoSe2，以測(cè)試這些二維半導(dǎo)體材料的性能。最重要的是這四種二維半導(dǎo)體材料薄膜都是在BEOL（后道工序）環(huán)境中生長(zhǎng)的，其生長(zhǎng)溫度從300°C到1000°C，與當(dāng)前的大規(guī)模生產(chǎn)方法兼容。

▲英特爾二維半導(dǎo)體薄膜（來(lái)源：IEEE）

04結(jié)語(yǔ)：先進(jìn)制程帶來(lái)更優(yōu)成本、良率，未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)將愈加激烈

隨著晶體管結(jié)構(gòu)從FinFET到CFET，雖然不同廠(chǎng)商的方案不同，但整體來(lái)說(shuō)晶體管結(jié)構(gòu)越來(lái)越立體，并進(jìn)行3D堆疊以節(jié)省芯片面積；材料則逐步變?yōu)槎S，以保持微縮。

但是就像英特爾盧東暉說(shuō)得那樣，工業(yè)生產(chǎn)中最重要的問(wèn)題并不是有沒(méi)有，而是如何讓新技術(shù)最大程度兼容現(xiàn)有的產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)良率和成本的最優(yōu)解。

反過(guò)來(lái)，制程工藝的迭代也會(huì)帶來(lái)成本和良率上的升級(jí)，因此盡管芯片制程的演進(jìn)確實(shí)越來(lái)越困難，但人們對(duì)于更高性能、更低成本的追求不會(huì)改變?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在未來(lái)，先進(jìn)制程的競(jìng)爭(zhēng)將愈加激烈。

本文來(lái)自微信公眾號(hào)“芯東西”（ID：aichip001），作者：高歌，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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