为什么说7nm是半导体工艺的极限，但现在又被突破了？

适用了20余年的摩尔定律近年逐渐有了失灵的迹象。从芯片的制造来看，7nm就是硅材料芯片的物理极限。不过据外媒报道，劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限，采用碳纳米管复合材料将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm。那么，为何说7nm就是硅材料芯片的物理极限。

　芯片的制造工艺常常用90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm来表示，比如Intel最新的六代酷睿系列CPU就采用Intel自家的14nm制造工艺。现在的CPU内集成了以亿为单位的晶体管，这种晶体管由源极、漏极和位于他们之间的栅极所组成，电流从源极流入漏极，栅极则起到控制电流通断的作用。

而所谓的XX nm其实指的是，CPU的上形成的互补氧化物金属半导体场效应晶体管栅极的宽度，也被称为栅长。

栅长越短，则可以在相同尺寸的硅片上集成更多的晶体管——Intel曾经宣称将栅长从130nm减小到90nm时，晶体管所占得面积将减小一半；在芯片晶体管集成度相当的情况下，使用更先进的制造工艺，芯片的面积和功耗就越小，成本也越低。

栅长可以分为光刻栅长和实际栅长，光刻栅长则是由光刻技术所决定的。 由于在光刻中光存在衍射现象以及芯片制造中还要经历离子注入、蚀刻、等离子冲洗、热处理等步骤，因此会导致光刻栅长和实际栅长不一致的情况。另外，同样的制程工艺下，实际栅长也会不一样，比如虽然三星也推出了14nm制程工艺的芯片，但其芯片的实际栅长和Intel的14nm制程芯片的实际栅长依然有一定差距。

（1）

硅的主要来源是石英砂（二氧化硅），硅元素和氧元素通过共价键连接在一起。因此需要将氧元素从二氧化硅中分离出来，换句话说就是要将硅还原出来，采用的方法是将二氧化硅和碳元素（可以用煤、焦炭和木屑等）一起在电弧炉中加热至2100°C左右，这时碳就会将硅还原出来。化学反应方程式为：SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)（吸热）

（2）

上一步骤中得到的硅中仍有大约2%的杂质，称为冶金级硅，其纯度与半导体工业要求的相差甚远，因此还需要进一步提纯。方法则是在流化床反应器中混合冶金级硅和氯化氢气体，最后得到沸点仅有31°C的三氯化硅。化学反应方程式为：Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g)（放热）

(3）

随后将三氯化硅和氢气的混合物蒸馏后再和加热到1100°C的硅棒一起通过气相沉积反应炉中，从而除去氢气，同时析出固态的硅，击碎后便成为块状多晶硅。这样就可以得到纯度为99.9999999%的硅，换句话说，也就是平均十亿个硅原子中才有一个杂质原子。

（4）

进行到目前为止，半导体硅晶体对于芯片制造来说还是太小，因此需要把块状多晶硅放入坩埚内加热到1440°C以再次熔化 。为了防止硅在高温下被氧化，坩埚会被抽成真空并注入惰性气体氩气。之后用纯度99.7%的钨丝悬挂硅晶种探入熔融硅中，晶体成长时，以2~20转/分钟的转速及3~10毫米/分钟的速率缓慢从熔液中拉出：

探入晶体“种子”

长出了所谓的“肩部”

长出了所谓的“身体”

这样一段时间之后就会得到一根纯度极高的硅晶棒，理论上最大直径可达45厘米，最大长度为3米。

以上所简述的硅晶棒制造方法被称为切克劳斯法（Czochralski process，也称为柴氏长晶法），此种方法因成本较低而被广泛采用，除此之外，还有V-布里奇曼法（Vertikalern Bridgman process）和浮动区法（floating zone process）都可以用来制造单晶硅。

我们在 ExtremeTech 上讨论了很多半导体工艺节点，但是从技术上讲，我们并不经常提及什么是半导体工艺节点 。 随着 Intel 的 10nm 节点进入生产阶段，对于半导体工艺节点的困惑越来越多了，而且对于台积电和三星的技术是不是优于英特尔（以及如果拥有的优势，他们拥有多少优势），也打上了问号。

半导体工艺节点通常以数字命名，后跟纳米的缩写：32nm，22nm，14nm等。CPU 的任何功能与节点名称之间没有固定的客观联系。半导体工艺节点的命名方式也并非总是如此，在大约 1960s-1990s ，节点是根据门的长度来命名的。IEEE 的这张图显示了这种关系：

长期以来，栅极长度（晶体管栅极的长度）和半间距（芯片上两个相同特征，如栅级，之间的距离的一半）与过程节点名称相匹配，但最后一次是 1997年 。半间距又连续几代与节点名匹配，但在实际意义上两者并没有什么关系。实际上，特征尺寸和芯片实际上的样子匹配，已经是很长很长时间之前的事情了。

如果我们达到几何比例缩放要求以使节点名称和实际特征尺寸保持同步，那么六年前我们就该将生产线降至 1nm 以下（这怎么可能嘛）。我们用来表示每个新节点的数字只是代工厂为了宣传选取的数字。早在2010年，ITRS（国际半导体技术发展蓝图，稍后对此组织进行详细介绍）把在每个节点上应用的技术集称为“等效扩展”（而不是几何扩展）。当我们接近纳米级的极限时，宣传可能会开始使用埃而不是纳米，或者可能会使用小数点。当我开始在这个行业工作时，通常会看到记者提到微米而不是纳米的工艺节点，例如 0.18微米或 0.13微米，而不是 180nm 或 130nm。

半导体制造涉及大量的资本支出和大量的长期研究。从论文采用新技术到大规模商业化生产之间的平均时间间隔为10到15年。几十年前，半导体行业认识到，如果存在针对节点引入的通用路线图以及这些节点所针对的特征尺寸，这对每个电子工业的参与方都是有利的。这将允许生产线上的不同位置的厂商同时克服将新节点推向市场遇到的难题。多年来，ITRS（国际半导体技术路线图）一直在发布该行业的总体路线图。这些路线图长达15年之久，为半导体市场设定了总体目标。

ITRS于1998-2015年发布。从2013年至2014年，ITRS重组为ITRS 2.0，他们很快意识到传统的推进方法遇到了理论创新的瓶颈，新组织的任务目标是为大学、财团和行业研究人员提供“未来的主要参考方向，以激发技术各个领域的创新”，这个目标也要求新组织大幅扩展其覆盖范围和覆盖范围。ITRS就此宣布退休了，成立了一个新的组织，称为IRDS（国际设备和系统路线图），其研究的范围大得多，涉及更广泛的技术。

范围和重点的转移反映了整个代工行业正在发生的事情。我们停止将栅极长度或半间距与节点大小绑定的原因是，它们要么停止缩小，要么缩小的速率减慢。作为替代方案，公司已经集成了各种新技术和制造方法，从而继续进行节点缩放。在40 / 45nm，GF和TSMC等公司推出了浸没式光刻技术。在32nm处引入了双图案。后栅极制造是28nm的功能。FinFET是由Intel在22nm处引入的，而其他公司则是在14 / 16nm节点处引入的。

公司有时会在不同的时间推出功能。AMD和台积电推出了40 / 45nm浸没式光刻技术，但英特尔等到32nm才使用该技术，并选择首先推出双图案。GlobalFoundries和台积电开始在32 / 28nm使用更多的双图案。台积电在28nm处使用后栅极构造，而三星和GF使用先栅极技术。但是，随着进展变得越来越慢，我们已经看到公司更加依赖于营销，拥有更多定义的“节点”。像三星这样的公司，没有像以前一样瀑布式下降节点名字（90、65、45），而是给不同的工艺节点起了数字部分相同的名字：

我认为您可以吐槽该产品名称不明不白，因为除非您有清晰的图表，否则很难分辨哪些流程节点是早期节点的演变变体。

尽管节点名称不 依赖 于任何特征尺寸，并且某些特征尺寸已停止缩小，但半导体制造商仍在寻找改善关键指标的方法。这是真正的技术进步。但是，由于现在很难获得性能上的优势，并且更小的节点需要更长的开发时间，因此公司正在尝试更多所谓的改进实验。例如，三星正在准备比以前更多的节点名称。那是某种营销策略，而不是他们真的能做出来多么超前的改进。

因为英特尔10纳米制程的制造参数非常接近台积电和三星用于7纳米制程的值。下面的图表来自WikiChip，但它结合了英特尔10nm节点的已知功能尺寸和台积电和三星7nm节点的已知功能尺寸。如您所见，它们非常相似：

delta 14nm / delta 10nm列显示了每个公司从其上一个节点开始将特定功能缩小的程度。英特尔和三星的最小金属间距比台积电更严格，但是台积电的高密度SRAM单元比英特尔小，这可能反映了台湾代工厂的不同客户的需求。同时，三星的单元甚至比台积电的单元还要小。总体而言，英特尔的10nm工艺达到了许多关键指标，台积电和三星都将其称为7nm。

由于特定的设计目标，单个芯片可能仍具有偏离这些尺寸的功能。制造商提供的这些数字是给定节点上的典型预期实现方式，不一定与任何特定芯片完全匹配。

有人质疑英特尔的10nm +工艺（用于Ice Lake）在多大程度上达到了这些宣传的指标（我相信这些数字是针对Cannon Lake发布的）。的确，英特尔10纳米节点的预期规格可能会略有变化，但14纳米+也是14纳米的调整，10nm+肯定比14nm工艺有非常大的改进。英特尔已经表示，一定会把10nm工艺节点的晶体管密度相对14nm增加2.7倍作为目标，因此我们将推迟任何有关10nm +可能略有不同的猜测。

理解新流程节点的含义的最佳方法是将其视为总括性术语。当一家代工厂商谈论推出一个新的流程节点时，他们所说的其实是：

“我们创建了具有更小特征和更严格公差的新制造工艺。为了实现这一目标，我们集成了新的制造技术。我们将这组新的制造技术称为流程节点，因为我们想要一个总括的术语，向大众传递我们改进了某些具体的工艺参数。”

关于该主题还有其他问题吗？将它们放到下面，我会回答他们。

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