硅之后，半導體革命
2024-01-20 11:29:31 EETOP一年一度的國際電子器件會議（IEDM）于上個月舉行。英特爾公司的馬修-梅茲（Matthew Metz）發表了題為 "延續摩爾定律的新材料系統 "的演講。從本質上講，這是對硅耗盡后的一些可能性的探討。
馬修首先介紹了晶體管如何改變世界，特別是數十年來推動英特爾自己的工藝路線圖的材料創新。回到 90nm，我們使用了應變硅，然后是 HiK 金屬柵極。英特爾是第一個將 FinFET 推向市場的公司（盡管當時它稱之為 TriGate）。Intel 4 上首次引入了 EUV 光刻技術。 大家可能都知道，英特爾正在 4 年內進行 5 種工藝的技術開發，這顯然是很激進的，但很明顯一切仍在按部就班地進行。英特爾 20A 將是第一個采用全柵極（GAA）的工藝，英特爾稱之為帶狀場效應晶體管（ribbonFET）。英特爾還有一個積極的先進封裝路線圖，但馬修跳過了這一點，因為演講的重點是我們未來將在晶圓上放置什么，而不是我們如何將它們組合在一起。 英特爾并不是唯一一家致力于全柵極的公司。在過去的幾年里，在 IEDM 等會議上，所有主要制造商和研究組織都發布了某種版本的納米片全柵結果。請參閱上面的橫截面。 計劃的下一個重大創新是互補 FET 或 CFET，其中 n 晶體管優于 p 晶體管。事實上，這幾乎是今年 IEDM 的主題，許多人宣布了 CFET 制造方面的各種創新，以獲得 1.5 倍到 2 倍的面積縮放。 英特爾（與其他所有人一起）追求的另一項創新是背面供電網絡（背面 PDN）以及英特爾所謂的 PowerVia。這些技術允許信號和電源分離，并且不再像歷史上那樣相互干擾，當時所有互連都位于正面。 最大的挑戰是電源墻。每平方厘米的冷卻功率要達到100W以上是非常困難的。關于如何改進有多種可能性：
制作 2D 材質而不是堅持使用 3D 有很多吸引力。但尋找好的材料面臨著重大挑戰。大家應該聽說過碳納米管 (CNT)，但盡管碳納米管很有吸引力，但十年來在可靠制造這些材料方面并沒有取得真正的進展。石墨烯是二維的，但沒有帶隙，這使得構建開關成為一項挑戰。磷烯在高溫下會揮發，因此不可能制造完整的晶體管。
最有吸引力的解決方案似乎是開發過渡金屬二硫屬化物（簡稱：TMD）。它是使用二維材料的最有前途的方法之一。TMD 是單個單層，可提供良好的柵極控制，從而降低功耗。它們具有比硅更好的遷移率，因此性能良好。此外，大的帶隙限制了源極-漏極隧道效應。 Matthew 詳細介紹了制造 TMD 2 層晶體管（特別是生長 2D 單層晶體管）的挑戰和前景，以及如何接觸它們。對于 n 晶體管的成分來說，最具吸引力的材料似乎是銻 (Sb) 和鉍 (Bi)。對于 p 晶體管，釕 (Ru)。 最后一部分著眼于降低功耗要求和先進開關，特別是磁電自旋軌道（MESO）器件。開關可以在 0.1V 左右完成，并相應降低功耗。 Matthew 的結論是，英特爾與 TMD 正在進行的工作顯示了持續 CMOS 擴展的前景，而 MESO 設備有望大幅降低功耗。但這是相對早期的研究，要使這些技術成為現實，還有很多工作要做。
