cmos|用尽元素周期表,能否将半导体微缩坚持到底?( 三 )

另外该技术也发现了很多问题,在直接连上以后,因为中间电流密度增加了很多,这会给下面的电路造成影响。所以这些互连的设计也要重新优化,封装要优化,这是一整套系统工程。
cmos|用尽元素周期表,能否将半导体微缩坚持到底?
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图b)通过3D CMOS实现30%至50%的面积提升(图源:英特尔)
现在纳米带(GAA)的NMOS和PMOS是左右并排放的,这篇论文讲的就是如何把NMOS和PMOS互相叠起来,将面积缩小一倍。叠起来的方法有两种,一种叫依序,先把下面那层的晶圆做好,上面一层翻过来再做另外一层,所以是由两片晶圆做的依序,这样也能达到创记录的性能;另外一种是直接在一片晶圆上做,采用自对准的方式,英特尔用自对准实现了55纳米的栅极间距,这是非常了不起的突破。这两种方法各有利弊,第一个成本较高,第二个制造工序较复杂。这两个都说明了英特尔探路的意义,具体落地要采用哪种,要深刻的找出其优缺点所在。
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图c)在二维材料上的突破(图源:英特尔)
2D材料可用于制作更短的通道,并克服硅的微缩限制,比如Transition Metal Dichalcogenides [TMD] 过渡金属硫化物这种二维材料,它的特点是在Gate下面有一层非常薄的,单层的二硫化物原子层,可以作为更短的通道。英特尔在二维材料上的最大突破不光是这个做出来了,而是用两种不同的金属去做金属接触,在源极和漏极,NMOS用的是锑(Sb),PMOS用的是钌(Ru),这样能让电容比较小。这些背后都是英特尔经过了大量的研究,从几十种过渡金属中得出这两种金属比较好,而且通过二维材料,GAA一下子缩小3倍,从15纳米变成5纳米,这是非常了不起的。
第二是为硅注入新功能。在功率领域,英特尔在300毫米的硅晶圆上首次集成氮化镓基(GaN-based)功率器件,验证了300毫米工艺兼容可行性,更适配高电压应用,增加了功能,提升了大规模制造可能性,卢东晖博士表示其离实际应用已经不远了。另外一个是内存领域的突破,英特尔利用铁电存储器 (FeRAM)达到了创纪录的实现了2纳秒的读写速度和超过1012次方的读写周期,这也是完全跟传统的CMOS工艺结合的,英特尔进行这方面的研究有很大的优势,因为英特尔有自己的X86架构,任何内存的东西必须要和CPU一起共同优化,不能自已单独作用。
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图d)英特尔在功率和内存上的进展
第三是物理学新概念,拥抱量子领域。这方面也有三项技术研究,一个是首次在室温下实现磁电自旋轨道(MESO)逻辑器件的实验;再一个,和IEMC合作首次演示了一种利用磁畴壁位移来实现逻辑和内存功能的自旋扭矩器件,与目前使用的布尔门(Boolean gates)相比,这项研究可以带来更有效的构建、更紧凑的电路设计;最后这项突破将对量子计算技术的微缩有革命性的意义,首次达到了与300毫米CMOS制造兼容的完整的量子比特制造工艺流程,这将加速量子计算技术的微缩,这表示以后的量子制造工艺成熟之后,可以直接在现有的晶圆厂直接改造,不需要建一个几十亿美元的工厂。
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