半导体制程,经历了哪些重大的发展节点?

半导体制程,经历了哪些重大的发展节点?,第1张

半导体制造的制程节点,那么也就是指所谓"XXnm"的节点的意思。这里面有多方面的问题,一是制造工艺和设备,一是晶体管的架构、材料。晶体管的制造只是前端而已,集成电路的后端,包括互联等等,也是每个技术节点都会进步的一大课题,这部分我也完全不懂,所以不涉及。

首先回答技术节点的意思是什么。常听说的,诸如,台积电16nm工艺的Nvidia GPU、英特尔14nm工艺的i5,等等,这个长度的含义,具体的定义需要详细的给出晶体管的结构图才行,简单地说,在早期的时候,可以姑且认为是相当于晶体管的尺寸。

为什么这个尺寸重要呢?因为晶体管的作用,简单地说,是把电子从一端(S),通过一段沟道,送到另一端(D),这个过程完成了之后,信息的传递就完成了。因为电子的速度是有限的,在现代晶体管中,一般都是以饱和速度运行的,所以需要的时间基本就由这个沟道的长度来决定。越短,就越快。这个沟道的长度,和前面说的晶体管的尺寸,大体上可以认为是一致的。但是二者有区别,沟道长度是一个晶体管物理的概念,而用于技术节点的那个尺寸,是制造工艺的概念,二者相关,但是不相等。

在微米时代,一般这个技术节点的数字越小,晶体管的尺寸也越小,沟道长度也就越小。但是在22nm节点之后,晶体管的实际尺寸,或者说沟道的实际长度,是长于这个数字的。比方说,英特尔的14nm的晶体管,沟道长度其实是20nm左右。

1nm芯片不是极限。

1nm就是摩尔极限,也就是说,硅基芯片的极限精度理论上只能达到1nm,但由于自然环境的限制,其实际精度永远不可能达到1nm。

制程越小,功耗越小,在实现相同功能的情况下,发热小,电池可使用的时间更长。这就是芯片制程越来越小的主要原因。

台积电已经研发出了3nm芯片制造,本以为自己已经独占鳌头,却让人没有想到的是,近日英特尔突然宣布它们已经突破了芯片的摩尔极限,并且已经研发出三套方案,1nm不再是芯片精度的尽头。

发展:

芯片上有无数个晶体管,他们是芯片的核心,也就说,目前的技术是要把晶体管做的越来越小,这样,芯片上能容纳的晶体管就很多,芯片的性能就随之增加。

而目前最小的是1 nm栅极长度的二硫化钼晶体管。而且,并不是到1nm才会发生击穿效应,而是进入7nm节点后,这个现象就越来越明显了,电子从一个晶体管跑向另一个晶体管而不受控制,晶体管就丧失了原来的作用。

硅和二硫化钼(MoS2)都有晶体结构,但是,二硫化钼对于控制电子的能力要强于硅,众所周知,晶体管由源极,漏极和栅极,栅极负责电子的流向,它是起开关作用,在1nm的时候,栅极已经很难发挥其作用了,而通过二硫化钼,则会解决这个问题,而且,二硫化钼的介电常数非常低,可以将栅极压缩到1nm完全没有问题。

1nm是人类半导体发展的重要节点,可以说,能不能突破1nm的魔咒,关乎计算机的发展,虽然二硫化钼的应用价值非常大,但是,目前还在早期阶段,而且,如何批量生产1nm的晶体管还没有解决,但是,这并不妨碍二硫化钼在未来集成电路的前景。


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