2016年3月上旬,英国《自然》杂志撰文表示,摩尔定律终结,全球半导体产业也将不再追逐摩尔定律;3月下旬,英特尔表示,已无力跟随摩尔定律的原定步伐,现有著名的“嘀-嗒”( Tick-Tock)两步走发展策略也将放缓为“制造工艺-架构-优化”(PAO)三步,特征尺寸节点的更替也由原来的两年变为三年。似乎“摩尔定律终结”这次真地来了。
且慢,听听带领半导体产业进入22纳米和三维时代的鳍形晶体管(FinFET)之父胡正明(Chenming Hu)怎么说。(以下内容来自胡正明在2016年3月30-31日Synopsys用户会上的发言。)
不要担心摩尔定律的终结。尽管人所共知,但都不愿意大声说出来,晶体管尺寸的减小是一场有终点的游戏,而半导体产业正走向那个终点,但这并不意味着半导体产业,以及在此之上的高科技产业的终结。在半导体发展道路上有大量好的想法,新的晶体管结构将推动半导体产业未来数十年的发展,半导体产业还将有百余年的盛世,部分原因是没有替代品,以及世界需要半导体产业。
负电容晶体管(NC-FET)是最新和最重要的概念之一。该晶体管结构来源于胡所在的加州大学伯克利分校的研究成果,并为该研究团队所独有。胡展现了在30nm NC-FET上的工作,该NC-FET由锆铪二氧化物制成,并创新性地使用了5nm铁电层,如图1所示。从本质上讲,该结构是将一个电压放大器放入电介质中,好处是可将Vdd减少至0.3V水平,并得到同样的性能,克服未来数十年中新器件技术发展道路上的限制。
胡目前在NC-FET的研发上只投入了少量资金,该技术尚未引起足够的关注。但胡认为该技术充满巨大潜力,并正为此寻找更多的资金支持。自旋电子领域的投资是NC-FET投资的数个量级。最近,伯克利大学成立了一个新的聚焦NC-FET的研究中心,美国英特尔公司和中国台湾地区的台积电(TSMC)公司参与其中,并分别提供14万美元。
胡的研究团队正在准备免费提供新器件的紧凑模型。但胡表示,没有任何东西是真正免费的,后续的开发仍需投入人力、时间和物力成本。例如,FinFET从实验室样品到量产共花了11年时间、以及12位专家的通力合作。(更多内容见背景信息)。
与NC-FET同步展开研究的还有厚度仅为单分子或原子厚的2D半导体材料,候选材料多达十几种。单层材料可制作出完美的晶体并最终成为理想的薄基板(thin-body)材料,摆脱对量子效应的担心。
无论将2D半导体材料用于存储器或逻辑器件的单片多层集成,电路的不同层之间由氧化物进行隔离,该氧化层由钼等材料以原子自组装的方式生长而成,为下一步的研究提供了良好的接触面。
胡展示了于去年12月首次展示的2D NMOS和PMOS器件的研究成果,如图2所示。器件放置在单层硅上,并将自身进行了折叠,晶体管尺寸可因此减少45%。
新晶体管结构源于目前所用的FinFET和全耗尽绝缘体上硅(FD—SOI)中薄体基板的变形。在这样的设计中,通过使用各种各样的新材料,可使晶体管拥有更长的寿命。由于所具有的性能优势,直立的栅极将继续发挥重要作用,并在未来工艺的帮助下实现不同栅高以满足特殊用途。薄基板设计将直达光刻技术的极限。目前在用的FinFET和FD-SOI结构可发展为环栅形、柱形或线形,取决于哪一种制造成本更经济,以及与所获器件性能的平衡。
胡对隧穿晶体管和自旋电子的发展并不乐观。隧穿晶体管的开电流比现有器件低一个数量级或更多,使其只适用于物联网节点的使用。而自旋电子需要一套全新的逻辑工具,降低其实用性,要在现有设计架构中引入一个完全不同概念的晶体管难度将非常大。
1996年,国际半导体技术路线图(ITRS)指出,平面晶体管结构很可能无法支持特征尺寸向25纳米及以下尺寸演进。当时的主流工艺是0.25微米。为此,美国国防先期研究计划局(DARPA)于1997年启动了旨在探索25纳米工艺以下晶体管结构的项目--“用于万亿比特级电子器件的25纳米场效应管的全新制造、器件结构和物理特性”。该项目从1997年6月至2001年7月,为期四年,加州大学伯克利分校胡正明领导的研究小组为唯一承研方。
1999年,胡所领导的项目组开发出三维晶体管结构,取名为FinFET。2000年,项目组开发出FD-SOI,并表示FinFET可用于10纳米及以下工艺,以及需要至少10年时间可实现量产。同年,英特尔、IBM、德州仪器、AMD和摩托罗拉等六家公司通过半导体研究联盟加入加州大学的研发团队。由于超薄型绝缘体上硅的制造受限于工艺精度,大部分厂家选择了FinFET技术,从性能提升、生产工艺和电路设计等方面对FinFET结构进行进一步研究。
2003年后,FinFET和FD-SOI的研究转为由各公司独立进行,并仍以FinFET为主要研发对象。但在2009年突破了FD-SOI的工艺限制后,IBM等公司大力推动FD-SOI快速发展。
FinFET和FD-SOI技术各具特色:前者更易实现微细化,适合高性能应用;后者电路设计简单,适合于低频低功耗应用。
图3 彼时的胡正明(2004年)
联系客服