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5nm是物理極限,芯片發(fā)展將就此結(jié)束?

發(fā)布時間:2016-12-22 來源:一點號——阿呆科技說 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】摩爾定律是指IC上可容納的晶體管數(shù)目,約每隔18個月便會增加一倍,性能也將提升一倍。然而事情的發(fā)展總歸會有一個權(quán)限,5nm則是硅芯片工藝的極限所在,事實上,隨著10nm、7nm芯片研發(fā)消息不斷報出,人們也開始擔(dān)心硅芯片極限的逐漸逼近,會不會意味著摩爾定律最終失效,進而導(dǎo)致半導(dǎo)體行業(yè)停滯不前。
 
為什么說5nm是現(xiàn)有芯片工藝的極限呢?
 
Source:源極 Gate:柵極 Drain:漏極
 
這個主要是由于現(xiàn)有芯片制造的原材料是“晶元”、或者說硅片,也就是硅,所以我們才說硅芯片。一塊看起來非常小的芯片,實際上已經(jīng)整合了數(shù)以億計的晶體管,晶體管簡單而言可以看作是一個可控的電子開關(guān),晶體管由源極、漏極和位于他們之間的柵極所組成,電流從源極流入漏極,柵極則起到控制電流通斷的作用,從而產(chǎn)生0 1數(shù)字信號,在目前的芯片中,連接晶體管源極和漏極的是硅元素。
 
 
然而隨著晶體管尺寸的不斷縮小,源極和柵極間的溝道也在不斷縮短,當(dāng)溝道縮短到一定程度的時候,量子隧穿效應(yīng)就會變得極為容易,換言之,就算是沒有加電壓,源極和漏極都可以認為是互通的,那么晶體管就失去了本身開關(guān)的作用,因此也沒法實現(xiàn)邏輯電路。
 
從現(xiàn)在來看,10nm工藝是能夠?qū)崿F(xiàn)的,7nm也有了一定的技術(shù)支撐,而5nm則是現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的物理極限,那么芯片的發(fā)展就此結(jié)束了嗎?
 
其實問題分析到這,大家也應(yīng)該明白了,不是硅片發(fā)展到頭了,而是硅芯片的發(fā)展到了極限了,要突破這個極限的話,只能靠使用其它材料才代替硅了。
 
石墨烯
 
 
近年來,石墨烯被炒得很熱,它具有很強的導(dǎo)電性、可彎折、強度高,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。
 
碳納米管
 
 
碳納米管和近年來非常火爆的石墨烯有一定聯(lián)系,零維富勒烯、一維碳納米管、二維石墨烯都屬于碳納米材料家族,并且彼此之間滿足一定條件后可以在形式上轉(zhuǎn)化。碳納米管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維材料,它的徑向尺寸可達到納米級,軸向尺寸為微米級,管的兩端一般都封口,因此它有很大的強度,同時巨大的長徑比有望使其制作成韌性極好的碳纖維。
 
碳納米管和石墨烯在電學(xué)和力學(xué)等方面有著相似的性質(zhì),有較好的導(dǎo)電性、力學(xué)性能和導(dǎo)熱性,這使碳納米管復(fù)合材料在超級電容器、太陽能電池、顯示器、生物檢測、燃料電池等方面有著良好的應(yīng)用前景。此外,摻雜一些改性劑的碳納米管復(fù)合材料也受到人們的廣泛關(guān)注,例如在石墨烯/碳納米管復(fù)合電極上添加CdTe量子點制作光電開關(guān)、摻雜金屬顆粒制作場致發(fā)射裝置。
 
有外媒報道的勞倫斯伯克利國家實驗室將現(xiàn)有最精尖的晶體管制程從14nm縮減到了1nm,其晶體管就是由碳納米管摻雜二硫化鉬制作而成。不過這一技術(shù)成果僅僅處于實驗室技術(shù)突破的階段,目前還沒有商業(yè)化量產(chǎn)的能力。至于該項技術(shù)將來是否會成為主流商用技術(shù),還有待時間檢驗。
 
再來說說光刻機分辨率的事要想做出更小制程的芯片,不僅要求材料能夠達到這個極限,光刻機的分辨率也是一個非常重要的指標(biāo)。如果光刻機無法曝出這么細的線條,那么再好的技術(shù)也是白搭。
 
 
要想提高分辨率,可以從光源、孔徑NA和工藝三個方面來考慮。
 
 
光刻機分辨率:從1.0μm到7nm的演變過程、光源波長從436nm(G-line),經(jīng)歷356nm(I-line)和248nm(KrF),到193nm(ArF)、EUV的過程;NA從0.35經(jīng)歷了0.45、0.55、0.6、0.85;K1因子的變化由0.8~0.4等。然而,短波光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計加工及相關(guān)材料的開發(fā)、NA的繼續(xù)增加和K1的不斷減小正面臨著一系列的挑戰(zhàn)。例如:大NA光學(xué)系統(tǒng)將導(dǎo)致焦深的減少,造成工件臺和環(huán)境的控制更加苛刻,要求物鏡波面差更??;較低的K1導(dǎo)致掩膜誤差因子的增大,造成復(fù)制圖形精度和保真度的下降。
 
 
EUV的基本工作原理:激光對準(zhǔn)氙氣噴嘴。當(dāng)激光擊中氙氣時,會使氙氣變熱并產(chǎn)生等離子體;一旦產(chǎn)生等離子體,電子便開始逃逸,從而發(fā)出特定波長的光;接著這種光進入聚光器,然后后者將光匯聚并照到掩膜上;通過在反射鏡的一些部分施加而其它部分不施加吸收體,在反射鏡上形成芯片一個平面的圖案的光學(xué)表示,這樣就產(chǎn)生了掩膜;掩膜上的圖案被反射到四到六個曲面反射鏡上,從而將圖像微縮,并將圖像聚投到硅晶圓上;每個反射鏡使光線稍微彎曲以形成晶圓上的圖像,這就像照相機中的透鏡將光彎曲以在膠片上形成圖像一樣。
 
 
整個工藝必須在真空中進行,因為這些光波長太短,甚至空氣都會將它們吸收。此外,EUV使用涂有多層鉬和硅的凹面和凸面鏡。如果沒有涂層,光在到達晶圓之前幾乎就會被完全吸收。
 
不過雖然原理簡單,但是這種光源設(shè)備和鏡頭目前中國還暫時沒有這類技術(shù),目前唯一能做出EUV光刻機的只有荷蘭的ASML,中國還需要加油。
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