芯片制程工藝的升級從90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、14nm到現(xiàn)在的10nm、7nm（其中XX nm指的是，CPU的上形成的互補(bǔ)氧化物金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管柵極的寬度，也被稱為柵長。），數(shù)十年來，電子產(chǎn)業(yè)一直循“摩爾定律”(Moore’s law)所設(shè)定的開發(fā)藍(lán)圖——晶片上可容納的電晶體數(shù)量大約每隔兩年增加1倍。目前工藝節(jié)點的現(xiàn)狀是，摩爾定律逐漸放緩，英特爾在今年才正式進(jìn)入到10nm時代，將在后年轉(zhuǎn)入7nm，而這比原定計劃最少也要晚了兩年。而且權(quán)威的國際半導(dǎo)體機(jī)構(gòu)已經(jīng)不認(rèn)為摩爾定律的縮小可以繼續(xù)下去了，比如ITRS宣布不再制定新的技術(shù)路線圖。摩爾定律這位“花甲老人”真的走不動了嗎？我看未必。

　　摩爾定律真的放緩了嗎？

　　摩爾定律真的放緩了嗎？可是筆者看到另一番景象，三星和臺積電等廠商異常活躍，怎么都感覺它們正上演著一場場制程工藝“誰比誰先進(jìn)”的爭奪戰(zhàn)。世界上能夠玩轉(zhuǎn)7納米、5納米甚至是3納米芯片制造工藝的企業(yè)也就他們兩家了。即使摩爾定律有所放緩，但并不意味著將失效。

　　今年臺積電和三星已經(jīng)相繼宣布成功研發(fā)出了5nm工藝，并表示將會在明年投入量產(chǎn)。在此之后，三星率先發(fā)布自家3nm進(jìn)度，號稱2021年將以3nm超越對手；而臺積電計劃跳過3nm，直接研發(fā)2nm的工藝制程，開始極限操作，預(yù)計2024年投產(chǎn)。三星與臺積電斗得難解難分。對他們來說，制程工藝上的勝負(fù)或許就是拉開差距的關(guān)鍵?？磥?，對于芯片制程工藝的探索，大廠商們還都沒打算就此停下。

　　根據(jù)Imec預(yù)測，半導(dǎo)體工藝特征尺寸在接下來幾個節(jié)點會繼續(xù)以個位數(shù)納米微縮，但在2納米節(jié)點的40納米閘極長度與16納米金屬間距之后，恐怕不會再往下縮小。如果這樣，可能導(dǎo)致芯片性能無法因應(yīng)最高端應(yīng)用需求。那些最渴望芯片性能提升的業(yè)者，會愿意從FinFET晶體管轉(zhuǎn)向更小巧的納米片架構(gòu)；而那些專注于為移動裝置應(yīng)用縮小芯片占位面積以及功耗的IC廠商，或許會希望能“賴”著FinFET有多久是多久。

　　納米片(NS)結(jié)構(gòu)晶體管性能預(yù)期在未來的每一個節(jié)點都會超越FinFET (FF)。（如下圖）

　　一些物理學(xué)家，甚至是提出了摩爾定律的戈登·摩爾本人，都認(rèn)為摩爾定律將在2020年左右失效?？墒?，國際大廠三星與臺積電不但沒停止對芯片制程工藝的繼續(xù)探索，而且還正上演著一場先進(jìn)制程的爭奪戰(zhàn)。。。

　　臺積電宣布啟動2nm的工藝制程研發(fā)，但并沒有透露2nm工藝所需要的技術(shù)和材料，看晶體管結(jié)構(gòu)示意圖（如下圖）和目前并沒有明顯變化，看來會繼續(xù)壓榨硅半導(dǎo)體技術(shù)。接下來就看能不能做到1nm了。

臺積電宣布啟動2nm工藝研發(fā)：預(yù)計2024年投產(chǎn)

　　新思科技的Munoz表示，到了未來的技術(shù)節(jié)點，間距微縮將減緩至每世代約0.8倍左右。當(dāng)間距微縮至2nm之時，都還可采用硅晶體作為半導(dǎo)體材料，而在2nm之后，可能會開始使用石墨烯。

　　1nm工藝技術(shù)與設(shè)備已出現(xiàn)，是否能量產(chǎn)還未知

　　早在2016年10月，勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）宣布，研究人員已經(jīng)成功研發(fā)出了尺寸僅有1納米的晶體管。這個1nm晶體管由納米碳管和二硫化鉬(MoS2)制作而成。MoS2將擔(dān)起原本半導(dǎo)體的職責(zé)，而納米碳管則負(fù)責(zé)控制邏輯門中電子的流向。另外，美國布魯克海文國家實驗室 （Brookhaven National Laboratory，簡稱BNL） 的研究人員在2017年5月宣布，開發(fā)出可以達(dá)成1納米工藝的相關(guān)技術(shù)與設(shè)備。布魯克海文實驗室的1nm工藝跟目前的光刻工藝有很多不同，比如使用的是電子束而非激光光刻，所用的材料也不是硅基半導(dǎo)體而是PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）之類的，下一步他們打算在硅基材料上進(jìn)行嘗試。

　　已經(jīng)出現(xiàn)的1nm工藝技術(shù)與設(shè)備，因為與目前的半導(dǎo)體工藝技術(shù)存在明顯的差異，所以都不會很快投入量產(chǎn)。

　　英特爾技術(shù)長Mike Mayberry主張：“…摩爾定律仍持續(xù)有效，只是以各種功能、架構(gòu)搭配組合(mix-and-match)的功能演進(jìn)，以因應(yīng)數(shù)據(jù)的泛濫?！?/p>

　　摩爾定律究竟會如何繼續(xù)——從材料入手？

　　臺積電表示，預(yù)計2024年量產(chǎn)2nm工藝，如果能夠成功量產(chǎn)，那么意味著半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)在現(xiàn)有的條件下降逼近物理極限。未來是繼續(xù)優(yōu)化還是走向其他路線，都要由2nm技術(shù)實現(xiàn)的進(jìn)度來定。

　　當(dāng)工藝制程突破物理極限之后，再想尋求新的制造技術(shù)就不能單純的從減小柵長上做文章了，畢竟已經(jīng)小到了2nm。在這樣的情況下，只能從材料上入手，通過改變材料從而改變特性，進(jìn)而再有所突破。

　　為了盡可能地延續(xù)摩爾定律，有效地避免半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)整體下滑?？蒲腥藛T也在想盡辦法，比如尋求硅的替代材料。學(xué)術(shù)界五花八門的各種新材料新技術(shù)，石墨烯晶體管，隧穿晶體管，負(fù)電容效應(yīng)晶體管，碳納米管，等等。這些我們都可以看作是拯救摩爾定律的組合拳。

　　1.GaN、SiC

　　目前最熱的第三代半導(dǎo)體GaN、SiC已經(jīng)能夠規(guī)模量產(chǎn)，且被視為摩爾定律的后繼力量，憑借其寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場、高抗輻射能力等特點，在許多應(yīng)用領(lǐng)域擁有前兩代半導(dǎo)體材料無法比擬的優(yōu)點，有望突破第一、二代半導(dǎo)體材料應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展瓶頸，市場應(yīng)用潛力巨大。

　　2.石墨烯

　　石墨烯被視為是一種夢幻材料，它具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性、可彎折、強(qiáng)度高，這些特性可以被應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，甚至具有改變未來世界的潛力，也有不少人把它當(dāng)成是取代硅，成為未來的半導(dǎo)體材料。但是真正把它應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，還需要克服不少的困難。

石墨烯呈六邊形結(jié)構(gòu)

　　其一，因為石墨烯本身的導(dǎo)電性能太好，它沒有能隙，也就是只能開，而不能關(guān)，這樣是不能實現(xiàn)邏輯電路的。如果要利用石墨烯來制造半導(dǎo)體器件，需要在不破壞石墨烯本身特有的屬性下，在石墨烯上面植入一個能隙。目前已經(jīng)有不少針對這方面的研究，但要真正解決這個問題還有待時日。

　　其二，因為石墨烯邊緣的六元環(huán)并不穩(wěn)定，容易形成五元環(huán)或七元環(huán)，往往獲取的石墨烯是多個畸形環(huán)所連成的多晶，從而影響本身的特性，這樣生產(chǎn)出來的石墨烯就喪失了作為材料的意義了。

　　3.硅烯

　　因為硅和碳具有相似的化學(xué)性質(zhì)，研究人推測硅原子也可以像石墨烯那樣，原子呈蜂窩狀排列，形成硅烯這種物質(zhì)。硅烯相比于石墨烯的重要不同，就是硅烯擁有可以實現(xiàn)邏輯電路所必要的能隙。

具有相似結(jié)構(gòu)的硅烯，可能是比石墨烯更好的方案

　　在空氣中，硅烯具有極強(qiáng)的不穩(wěn)定性，即使在實驗室中，硅烯的保存時間也很短。如果要制作硅烯晶體管，還需要嘗試通過添加保護(hù)涂層等手段，保證硅烯不會變性，才可能應(yīng)用于實際當(dāng)中?？梢姽柘┑膽?yīng)用面臨著重重困難，但它仍然有趕超老大哥石墨烯，成為理想的半導(dǎo)體材料的希望。

　　4.碳納米管

　　碳納米晶體管是由碳納米管作為溝道導(dǎo)電材料制作而成的晶體管，其管壁只有一個原子厚，這種材料不僅導(dǎo)電性能好，而且體積能做到比現(xiàn)在的硅晶體管小100倍。另外，碳納米晶體管的超小空間使得它能夠快速改變流經(jīng)它的電流方向，因此能達(dá)到5倍于硅晶體管的速度或能耗只有硅晶體管的1/5。

464碳納米管晶體管模型

　　但按照傳統(tǒng)的做法，碳納米管內(nèi)通常會混雜一些金屬納米管，但是這些金屬納米管會造成電子裝置短路，從而破壞碳納米管的導(dǎo)電性能。大概在2016年九月左右，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員另辟蹊徑，他們利用聚合物取代了幾乎所有的金屬納米管，將金屬納米管的含量降到0.01%以下，這樣的做法大大提升了導(dǎo)電性能。

　　北京大學(xué)電子系教授彭練矛帶領(lǐng)團(tuán)隊也于2017年初就成功使用新材料碳納米管制造出芯片的核心元器件——晶體管，其工作速度3倍于英特爾最先進(jìn)的14納米商用硅材料晶體管，能耗只有其四分之一。

　　5.二硫化鉬

　　二硫化鉬和碳納米管一起已被勞倫斯伯克利國家實驗室用來成功研發(fā)1納米工藝，不同于硅，流過二硫化鉬的電子變重，在門電路長度在1納米時也能對晶體管內(nèi)的電流進(jìn)行控制。

　　另一方面因為采用二硫化鉬做為半導(dǎo)體材料，但光刻技術(shù)還跟不上相應(yīng)水平，所以實驗室團(tuán)隊采用空心圓柱管直徑只有1納米的碳納米管。這種碳納米管和二硫化鉬制成的柵極正好可以有效控制電子，避免“量子隧穿效應(yīng)”發(fā)生。

　　6.III-V族化合物半導(dǎo)體

　　III-V族化合物半導(dǎo)體是以III-V化合物取代FinFET上的硅鰭片，與硅相比，由于III-V化合物半導(dǎo)體擁有更大的能隙和更高的電子遷移率，因此新材料可以承受更高的工作溫度和運行在更高的頻率下。

　　比起其他替代材料，III-V族化合物半導(dǎo)體沒有明顯的物理缺陷，而且跟目前的硅芯片工藝相似，很多現(xiàn)有的技術(shù)都可以應(yīng)用到新材料上。目前需要解決的最大問題，恐怕就是如何提高晶圓產(chǎn)量并降低工藝成本了。

　　7.二維原子晶體材料

　　二維原子晶體材料簡稱二維材料,因載流子遷移和熱量擴(kuò)散都被限制在二維平面內(nèi),使得相關(guān)器件擁有了較高的開關(guān)比、超薄溝道、超低功耗而受到了廣泛關(guān)注。

　　與此同時，二維材料卻又因為在大面積高質(zhì)量薄膜及異質(zhì)結(jié)構(gòu)的可控生長、發(fā)光器件效率較低、高性能二維器件制備及系統(tǒng)集成工藝上遇到了瓶頸，也使得相關(guān)從業(yè)者在這些方面上展開了研究。伴隨著研究的深入，二維材料由于其帶隙可調(diào)的特性，使之在場效應(yīng)管、光電器件、熱電器件等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

　　小結(jié)

　　即使硅工藝快將走到盡頭，未來仍可能有多種替代方案來接替硅的位置，并使摩爾定律繼續(xù)延續(xù)下去。但就目前而言，究竟哪種材料會首先接替硅的位置，暫時不能明確知曉。各位是怎樣判斷的呢？