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TSMC 1nm以下制程獲得重大突破 摩爾定律的“續(xù)命丹”來了？

雖然“摩爾定律接近尾聲”的聲音不絕于耳，但IC業(yè)界對于更先進工藝制程的研究突破卻持續(xù)在為其“續(xù)命” 。繼IBM宣稱試產(chǎn)2nm芯片還沒“上頭條”太久，臺積電便聯(lián)合臺大、麻省理工宣布研發(fā)出一種新型半導(dǎo)體材料——半金屬鉍，在1nm以下制程獲得重大突破 。
TSMC 1nm以下制程獲得重大突破 摩爾定律的“續(xù)命丹”來了？
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IBM的2nm與臺積電的1nm有何不同？未來的摩爾定律還將“維系”多久？
殊途同歸？
半個世紀(jì)以來，摩爾定律作為指引半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展的“金科玉律”，一路高歌猛進 。從最初的數(shù)微米開始，數(shù)十年時間就已進階到主流的7nm、5nm，而3nm亦即將量產(chǎn) 。而相繼在2nm與1nm的突破，能否讓摩爾定律再次“延期”？
細(xì)究起來，其實IBM和臺積電路線不一，而效果是“殊途同歸” 。
正如半導(dǎo)體行業(yè)人士陳穰所言，IBM的2nm試產(chǎn)是通過改進結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，而臺積電的1nm更多是采用新材料改進了互聯(lián)接觸點 。
從結(jié)構(gòu)來看，隨著特征尺寸的不斷縮小，柵極對于溝道的控制能力減弱，則必須引入新的器件結(jié)構(gòu)以滿足晶體管的要求 。
工藝的進階歷程也可看到這一趨勢：平面工藝晶體管的特征尺寸縮小過程持續(xù)了數(shù)十年，之后難以為繼；到了2013年下半年16/14nm節(jié)點正式引入FinFET，然而FinFET僅僅維持了10年不到，2020年左右的3nm節(jié)點就有可能已轉(zhuǎn)入GAA，三星已推出了改良版環(huán)繞型晶體管結(jié)構(gòu)MBCFET 。
需要指出的是，在平面器件中，溝道只有一面面對柵極；在FinFET工藝中，立體溝道三面都被柵極圍繞；到了GAA，溝道由納米線構(gòu)成，而納米線的四面都被柵極圍繞，從而再度增強柵極對于溝道的控制能力 。
但GAA又能維持多久呢，答案恐難樂觀 。有技術(shù)專家對此表示，目前來看GAA在3nm、2nm工藝被采用，但有可能就延續(xù)兩代或兩代半，到1nm時有可能轉(zhuǎn)向采用CMOS結(jié)構(gòu)的CFET 。
再次拉長時間來看，摩爾定律的終結(jié)看來仍無法逆轉(zhuǎn) 。正如陳穰直言，盡管GAA等立體晶體管結(jié)構(gòu)可為摩爾定律續(xù)命，但遲早有一天不斷微縮的晶體管將逼近物理極限，特別是晶體管的特征尺寸——柵極寬度已經(jīng)小到真的很難控制了，是不可能永無止境的 。
TSMC 1nm以下制程獲得重大突破 摩爾定律的“續(xù)命丹”來了？
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解決發(fā)熱是關(guān)鍵？
仔細(xì)審視，摩爾定律的核心是物理極限、散熱和成本 。
“這其中關(guān)鍵點就是散熱 。100億個晶體管集成在小小的空間中，任何電流經(jīng)過都不可避免地帶來發(fā)熱，晶體管數(shù)量翻倍帶來的巨大發(fā)熱量，導(dǎo)致芯片內(nèi)部會變成一個大火爐，這個問題一直制約著晶體管數(shù)量的翻倍，可以說業(yè)內(nèi)一直尋找各種各樣的辦法與發(fā)熱做斗爭 。”陳穰談到 。
陳穰進一步介紹，發(fā)熱來自兩個部分，一是晶體管本身工作時帶來的熱量，第二是金屬互聯(lián)層帶來的熱量 。
因而業(yè)界一直兩路并進 。陳穰分析，一方面在尋找各種性能更佳、可替代硅晶體管的材料 。另一方面就是尋找現(xiàn)有金屬互聯(lián)層的替代材料，包括阻擋層、接觸點材料等 。
目前業(yè)內(nèi)主流是認(rèn)為碳納米管技術(shù)是未來取代硅晶體管、可大幅降低功耗的可行性方案 。但陳穰提及，碳納米管仍存在一系列設(shè)計、制造和功能上的問題，需要逐步加以克服，如果解決了各方面的技術(shù)難題，或許碳納米晶體管有朝一日取代硅 。
金屬互聯(lián)層的作用是可將所有晶體管的源端、漏端、柵極鏈接起來，以統(tǒng)一控制各個晶體管進行工作，實現(xiàn)大規(guī)模高速運算 。對于降低金屬互聯(lián)層的發(fā)熱問題，陳穰指出，這有兩大改進方向，一是改變接觸點材料，二是改進金屬互聯(lián)層以及外部阻擋層材料，兩者目標(biāo)都直指改進漏電、減少發(fā)熱 。
臺灣資深業(yè)界專家也認(rèn)為，互聯(lián)決定金屬的特性及和硅共晶后的穩(wěn)定性，在不同工藝節(jié)點所用的材料都不同 。因為半導(dǎo)體底層結(jié)構(gòu)是硅，而上層相連的接線需要低阻抗、高導(dǎo)電金屬等 。不同材料性質(zhì)不同，可能無法共晶，也可能會腐蝕，故需要一種能同時和硅、銅等穩(wěn)定形成共晶而且不會腐蝕的金屬材料 。
如今，金屬互聯(lián)層已從6英寸制程的鋁互聯(lián)，進階到8英寸的鎢，到12英寸工藝則大量使用銅互聯(lián)，14nm以下英特爾則開始嘗試用鈷 。而臺積電宣布用“鉍”材料來解決金屬互聯(lián)問題或在未來獲得成功 。陳穰談及，新材料的實用化還需不斷探索，中間會有不小的難度，比如如何將鉍沉積等需著力解決 。
但求新求變金屬互聯(lián)層，也不得不直面被顛覆的“命運” 。陳穰著重說，未來可能采用“光互聯(lián)層”即硅光技術(shù)代替金屬互聯(lián)，以解決芯片內(nèi)部互聯(lián)問題 。因為光子不攜帶能量，因此其功耗相對于金屬互聯(lián)材料的萬分之一都不到，好處不言而喻 。而且從更長遠來看，光子計算或?qū)⑻娲杈w管，其算力將遠超目前的傳統(tǒng)芯片 。

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