芯片制程工藝的升級(jí)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(diǎn)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(shí)代,，將在后年轉(zhuǎn)入7nm，而這比原定計(jì)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(dòng)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(tái)積電等廠商異?；钴S，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(tái)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(huì)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(hào)稱2021年將以3nm超越對(duì)手,；而臺(tái)積電計(jì)劃跳過3nm，直接研發(fā)2nm的工藝制程,，開始極限操作,，預(yù)計(jì)2024年投產(chǎn)。三星與臺(tái)積電斗得難解難分,。對(duì)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(duì)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(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)以個(gè)位數(shù)納米微縮，但在2納米節(jié)點(diǎn)的40納米閘極長度與16納米金屬間距之后,，恐怕不會(huì)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(huì)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(dòng)裝置應(yīng)用縮小芯片占位面積以及功耗的IC廠商,，或許會(huì)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(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)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,。可是,，國際大廠三星與臺(tái)積電不但沒停止對(duì)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(tái)積電宣布啟動(dòng)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(huì)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(tái)積電宣布啟動(dòng)2nm工藝研發(fā)：預(yù)計(jì)2024年投產(chǎn)

　　新思科技的Munoz表示,，到了未來的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，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(shí),，都還可采用硅晶體作為半導(dǎo)體材料，而在2nm之后,，可能會(huì)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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?yàn)榕c目前的半導(dǎo)體工藝技術(shù)存在明顯的差異,，所以都不會(huì)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,。”

　　摩爾定律究竟會(huì)如何繼續(xù)——從材料入手,？

　　臺(tái)積電表示,，預(yù)計(jì)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(shí)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(diǎn),，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(diǎn)，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(gè)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?yàn)槭┍旧淼膶?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(shí)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(gè)能隙。目前已經(jīng)有不少針對(duì)這方面的研究,，但要真正解決這個(gè)問題還有待時(shí)日,。

　　其二，因?yàn)槭┻吘壍牧h(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(gè)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?yàn)楣韬吞季哂邢嗨频幕瘜W(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(shí)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(shí)驗(yàn)室中，硅烯的保存時(shí)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(huì)變性，才可能應(yīng)用于實(shí)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(gè)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(huì)混雜一些金屬納米管,，但是這些金屬納米管會(huì)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)也能對(duì)晶體管內(nèi)的電流進(jìn)行控制,。

　　另一方面因?yàn)椴捎枚蚧f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(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)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(yùn)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(shí),，二維材料卻又因?yàn)樵诖竺娣e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(huì)首先接替硅的位置,，暫時(shí)不能明確知曉,。各位是怎樣判斷的呢？