75任何芯片的基本組成部分都是晶體管，它最近迎來了 75歲生日。今天我們將討論下一個(gè) 25 年。

晶體管本質(zhì)上是電流開關(guān)。施加到其“柵極”的電壓會(huì)導(dǎo)致電流在其“源極”和“漏極”之間的通道中流動(dòng)。每個(gè)晶體管都可以打開或關(guān)閉，對(duì)應(yīng)于“1”或“0”。在摩爾定律擴(kuò)展和 CMOS 工藝技術(shù)改進(jìn)的推動(dòng)下，現(xiàn)代計(jì)算芯片在數(shù)十億甚至萬億的規(guī)模上做到了這一點(diǎn)。

理想的晶體管執(zhí)行以下操作：

開啟時(shí)傳導(dǎo)最大電流量；

關(guān)閉時(shí)不允許任何電流流動(dòng)；

盡快切換；

晶體管的三個(gè)主要組成部分：“柵極”、“源極”和“漏極”。

晶體管簡(jiǎn)史

1947 年，約翰·巴丁 (John Bardeen)、威廉·肖克利 (William Shockley) 和沃爾特·布拉頓 (Walter Brattain) 在 AT&T 的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了第一批晶體管，稱為“平面”晶體管，因?yàn)榫w管的所有元件，包括柵極、源極和漏極都位于二維平面上。

在發(fā)展早期，平面晶體管的開關(guān)速度可以通過縮短?hào)艠O長(zhǎng)度來提高。“拉緊”（Straining）硅溝道也會(huì)提高開關(guān)速度。為了應(yīng)變溝道（strain channels），將一層硅放置在一層硅鍺 (SiGe) 上。由于硅層中的原子與 SiGe 層對(duì)齊，這導(dǎo)致硅原子之間的連接拉伸，從而使溝道應(yīng)變。在這種配置中，硅原子距離更遠(yuǎn)，干擾電子運(yùn)動(dòng)的原子力減少。在應(yīng)變溝道中，電子遷移率（即電子在被電場(chǎng)牽引時(shí)的移動(dòng)速度）提高了 70%，從而使晶體管開關(guān)速度提高了 35%。

允許繼續(xù)縮放的進(jìn)一步發(fā)展是“High-K/Metal”門（gate）的開發(fā)。在 45nm 節(jié)點(diǎn)，柵極電介質(zhì)開始失去其絕緣（介電）質(zhì)量并表現(xiàn)出過多的泄漏電流（即，當(dāng)晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，大量電流會(huì)流過晶體管）。

柵極電介質(zhì)（ gate dielectric ）是一個(gè)非常薄的絕緣層，通常由二氧化硅制成，位于晶體管的金屬柵電極和電流流過的溝道之間。英特爾在其 45 納米工藝（2007 年）中取得重大突破，采用鉿基介電層（hafnium-based dielectric）和由替代金屬材料組成的柵電極。3 年后，該行業(yè)的其他公司也紛紛效仿。由此產(chǎn)生的組合產(chǎn)生了“high dielectric constant”或“High K”柵極。

隨著晶體管尺寸的不斷減小，源極和漏極之間的空間減小到柵極失去適當(dāng)控制溝道中電流流動(dòng)的能力的程度。正因?yàn)槿绱耍矫婢w管表現(xiàn)出明顯的“短溝道”效應(yīng)，尤其是在 28nm 節(jié)點(diǎn)以下，漏電流過大。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，業(yè)界轉(zhuǎn)向“3D”晶體管，即 FinFET。

在 FinFET 中，柵極在硅鰭（silicon fin）的三個(gè)側(cè)面環(huán)繞溝道，而不是像平面晶體管那樣僅在頂部環(huán)繞。這樣可以更好地控制流過晶體管的電流；FinFET 晶體管的開關(guān)時(shí)間明顯快于平面晶體管。在 2010 年代初期，英特爾開始生產(chǎn) 22 納米節(jié)點(diǎn)的 FinFET，而臺(tái)積電等代工廠在 3 年后開始生產(chǎn) 16 納米節(jié)點(diǎn)的 FinFET。

由于可以制造多薄/多高的鰭片以及可以并排放置多少鰭片的限制，晶體管的另一種發(fā)展目前正在行業(yè)中進(jìn)行。這些下一代晶體管被稱為“Gate-All-Around”晶體管，或GAAFET。GAA 使用堆疊的水平“納米片”，因此柵極在所有 4 個(gè)側(cè)面都圍繞著溝道。這進(jìn)一步增加了晶體管的驅(qū)動(dòng)電流和整體性能。每個(gè)納米片的寬度以及每個(gè)晶體管中的納米片數(shù)量都可以變化，從而允許定制設(shè)計(jì)。

2022年，三星開始在其3nm工藝中使用GAA。由于良率問題，三星3nm GAP的大批量芯片有望在 2024 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。英特爾的20A工藝節(jié)點(diǎn)路線圖上有GAA，該工藝節(jié)點(diǎn)將于2024年制造就緒，產(chǎn)品將于2025年批量出貨。臺(tái)積電在2025年或2026 年的工藝節(jié)點(diǎn)N2有GAA 。這些生產(chǎn)年份是目標(biāo)，我們認(rèn)為，這些參與者中至少有2個(gè)可能會(huì)進(jìn)一步延遲。

除了最初的 GAA 工藝之外，還包括轉(zhuǎn)向forksheet或3D互補(bǔ) FET (CFET)，其中 n 和 p 溝道移動(dòng)得更近或垂直堆疊。

為了繼續(xù)超越2nm的路線圖，向 Gate-All-Around 的過渡也將需要用于納米片的新晶體管溝道材料。這是因?yàn)楣韬玩N等塊狀材料中的電子遷移率在5nm以下顯著下降。隨著我們深入到納米尺度，原子效應(yīng)不再被忽視。也許應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的最佳材料系列是二維材料。

二維材料

二維材料是由單層原子組成的結(jié)晶固體，最著名的二維材料是石墨烯，它是一種碳的同素異形體，由排列在六邊形晶格中的單層原子組成。但是，需要注意的是石墨烯沒有帶隙。

半導(dǎo)體由它們的帶隙定義：將卡在價(jià)帶中的電子激發(fā)到它可以導(dǎo)電的導(dǎo)帶所需的能量。帶隙需要足夠大，以便晶體管的開和關(guān)狀態(tài)之間有明顯的對(duì)比，這樣它就可以在不產(chǎn)生錯(cuò)誤的情況下處理信息。盡管具有高電子遷移率，但沒有帶隙，石墨烯不能用作半導(dǎo)體材料。盡管石墨烯在摻雜時(shí)具有帶隙，但摻雜的石墨烯不允許足夠低的關(guān)斷電流或足夠高的導(dǎo)通電流。

用于下一代納米片的最有前途的二維材料來自“過渡金屬二硫化物”或“TMD”子系列。該組中的材料包括二硫化鉬 (MoS2)、二硫化鎢 (WS2) 和二硒化鎢 (WSe2)。TMD 具有 < 5nm 溝道厚度所需的帶隙和遷移率。

Philip Wong 在他于 HotChips 2019 主題演講“What will the next node offer us?”中也強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。

雖然碳納米管（CNT，一種一維材料）也受到關(guān)注，但經(jīng)過 30 多年的研發(fā)，它們的制造難度仍然眾所周知。為了實(shí)現(xiàn)晶體管應(yīng)用所需的性能指標(biāo)，必須生長(zhǎng)數(shù)百萬個(gè)單獨(dú)的管子（即密度）并且所有管子都以相同的方式對(duì)齊（即對(duì)齊）。此外，對(duì)于 CNT，您只需要處理碳。二維材料的用途要廣泛得多，指的是一整套材料，而且理論上比碳納米管更容易制造。可以生長(zhǎng)大面積的單層片，然后轉(zhuǎn)移。

二維材料生長(zhǎng)

二維材料通常通過化學(xué)氣相沉積 (CVD) 生長(zhǎng)，盡管最近的努力還包括原子層沉積 (ALD)。根據(jù)襯底和參數(shù)的選擇，二維薄膜生長(zhǎng)可以是單層或多層。

例如，單層石墨烯（最成熟的二維材料）如今主要通過 CVD 在銅箔或薄膜基板上生長(zhǎng)。然而，目前的 CVD 生長(zhǎng)技術(shù)產(chǎn)生的“多晶”石墨烯在晶格中具有多個(gè)晶界。生長(zhǎng)也是可變的，這意味著晶圓與晶圓之間的一致性很難實(shí)現(xiàn)。由于存在晶界和其他缺陷，CVD 石墨烯固有的電子遷移率通常仍遠(yuǎn)低于 10,000 cm2/(V?s)，與載體上原始剝離石墨烯薄片報(bào)道的 200,000 cm2/(V?s) 值相去甚遠(yuǎn)。

剝離石墨烯是指從石墨中剝離出來的純石墨烯薄片；這就是 2004 年曼徹斯特大學(xué)的兩名研究人員（Andre Geim 和 Kostya Novoselov）使用透明膠帶從石墨上剝離石墨烯層時(shí)首次分離出石墨烯的方式。

正如您所想象的，當(dāng)您的材料/晶圓的特性變化如此之大時(shí)，計(jì)量/檢查變得異常困難。

因此，今天的石墨烯電子市場(chǎng)可以忽略不計(jì)，一些參與者主要專注于傳感器（例如：霍爾效應(yīng)）或 mems 設(shè)備（限制較少的光刻規(guī)則/更大的線寬，可以容忍更高的可變性等）。Cardea Bio 和 GrapheneDX 等公司特別致力于石墨烯生物傳感器，因?yàn)槭┚哂猩锵嗳菪裕梢酝ㄟ^場(chǎng)效應(yīng)傳感進(jìn)行功能化以檢測(cè)各種分子化合物。歐洲的 Graphenea和Applied Nanolayers等其他公司正在建設(shè)專門的石墨烯鑄造廠。

像MoS2和WS2這樣的TMD甚至更新生，如今通常生長(zhǎng)在藍(lán)寶石晶圓上。Aixtron和Oxford Instruments 目前是唯一一家銷售二維材料專用生長(zhǎng)工具的OEM。要認(rèn)真對(duì)待2D材料，必須開發(fā)更一致的晶圓到晶圓生長(zhǎng)工藝，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期“單晶”材料的目標(biāo)。

編輯：黃飛

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