晶片製造的前沿領域都在研究什麼？

2020-08-28 世說芯語IC

晶片，是製造業中的最前沿。

在晶片製造領域裡，最前沿的研究又是什麼呢？今天帶領大家盤點一二。

把微觀控制做到極致

晶片給人的直觀感受就是小，釐米見方的面積能容得下比中國人口還多的電晶體。

80年代晶片製造工藝節點進入亞微米時代，而現在，已經進入亞10nm時代，翻譯過來就是：在不到40年的時間裡，我們將電晶體的尺寸縮小了至少100倍。

電晶體尺寸的縮小讓單位面積的晶片可以容納更多的電晶體

放在40年前，估計發明集成電路的大佬們都難以想像，摩爾定律發展了這麼多年依舊還沒有走到盡頭。

不僅僅是在橫向圖案的尺寸上，在縱向薄膜的厚度控制上，現代半導體製造技術也可以實現原子級厚度的控制。

最典型的技術ALD（原子層堆積法）。你可以把這種技術想像成一層一層地堆疊原子，原則上可以實現只堆疊一層原子，在300mm直徑尺寸晶圓上已經可以輕鬆實現。

與ALD相對應的就是ALE（原子層刻蝕），也就是只選擇性地刻蝕一層或者幾層原子。

這麼精確地控制薄膜厚度有必要嗎？當然有必要，在關鍵步驟的製造中，往往就是幾層原子厚度，就決定了電晶體可靠性的好壞（說到這裡我要吐個槽，就那幾層原子的差別，害的矽廠工程師翻來覆去的更改製造方案）。可靠性（reliability）是晶片生產中非常重要的考察指標，也就是消費者理解的是否耐用。

無論是橫向還是縱向上的尺寸精密控制，說到底還是在摩爾定律的指揮下演進。

碳納米管的「鳥槍換炮」

但是，摩爾定律總會有個盡頭吧，尺寸再小，也小不過一個原子，所以，摩爾定律再偉大，總會有掛掉的那一天。說未雨綢繆也好，杞人憂天也罷，現在想好解決方案總比到時候空嘆科技止步要好。

有的聰明人說，摩爾定律的演進是建立在矽基集成電路的基礎上，如果能夠找到一種炫酷吊炸天的材料，替代矽晶材料就能讓電晶體性能繼續提升——比如碳納米管。

碳納米管原子量級的管徑保證了器件具有優異的柵極靜電控制能力，更容易克服短溝道效應。而多個理論研究也表明，碳納米管器件相對於矽基器件來說在速度和功耗上具有5-10倍的優勢。

碳納米管，完美六邊形構造的同軸圓管，長的一副很高科技的樣子

本來，對碳納米管這種備受「生化環材」等專業熱炒的概念材料，我是不屑一顧的，但是，比較打臉的是，2019年夏天，MIT和企業Analog Devices合作，在《Nature》上搞了一個大新聞。他們真的利用碳納米管制作了一個微處理器晶片，它竟然成功執行了顯示「Hello World」的經典程序。

該微處理器晶片採用150mm晶圓產線流片，每片晶圓含有32顆晶片

這個研究工作的重大意義在於，它證明了碳納米管晶片的製造是與現有半導體產業矽基晶圓生產線是兼容的，且生產出的晶片是可用的。

在本研究中，碳納米管構成了源極與漏極之間的導電通道

從製造工藝步驟和執行的命令來看，這個微處理器晶片僅僅是最初級的低端晶片，但畢竟還是讓人看到碳納米管晶片規模化生產的曙光，科學意義足夠重大。

該晶片的生產工藝流程

你是光，你是唯一的神話

如果說碳納米管給矽基集成電路帶來的是一場地震的話，那麼另外一些人提出的方案——則有可能會革掉集成電路的命——集成光路。

在集成電路中，電是信息的載體，具體來講來就通過電晶體中電子的通斷來實現運算。而集成光路，就是以光作為信息載體，來實現運算功能。

事實上，在80年代末期的時候，光學運算元件的體積、速度和功耗是可以和電電晶體媲美的。但是在接近2000年的時候，電電晶體一騎絕塵，取得了長足的進步，把光學電晶體遠遠地甩在了身後。

但是光運算沒有消亡，隨著摩爾定律逐步放緩，科學家們又想起了前任的美好，光運算的研究在2010年前後開始復甦。

經過幾十年的碰壁與積累，業界逐漸認識到，讓光運算完全取代電運算是不切實際的。應該讓光運算去做電運算不擅長或者無法做到的事情，比如光互聯。

隨著現代晶片工藝的金屬互連線之間的間距和尺寸的減少，從而引入的更大的電阻和電容，會限制數據的傳輸速率，這就成為了數據傳輸與處理速度的一個瓶頸，核間、晶片之間的數據傳輸同樣如此。如果採用光互聯，則有望實現高速、低功耗。

傳統晶片中密集的金屬導線結構，電子在其中傳輸

光互聯技術，可以簡單理解為，把金屬導線結構製作成類似「光纜」的微型通道，並結合一些簡單的光學調製轉換和運算模塊，利用光線實現超高速信號傳輸。

2015年的時候，美國幾個藤校大牛在《Nature》上撰文，證明了光運算/光互聯元件可以和電子電晶體集成到同一顆晶片上。這種利用IBM的45nm晶圓產線製作的光電集成晶片，包含了850個光學器件和7000萬個電晶體。利用光互聯，它可以實現片上信號處理模塊與存儲模塊的數據傳輸。

這項前沿研究清晰地傳達了這樣一個信息：高集成度的光電集成晶片完全是可行，且它的製造工藝和當今矽晶半導體工業是高度兼容的。

該光電集成晶片的單晶片照片，與部分光學器件的微觀結構

總之，摩爾定律總會有終結的一天，任何能讓摩爾定律持續延伸20-30年以上，或是從根本上革新了晶片工作原理、顛覆性地提高了晶片性能的研究，都是前途無量、功德無量的。


參考文獻：

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