获IEEE确认，中科院石墨烯或成2nm制程关键，国产高精尖芯片有望

数字信息化时代的到来加速了硅基芯片更新换代的速率，为了满足设备对大数据运算的需求，芯片厂商采用传统的“增加硅晶体管数量”的方式来提高芯片性能，延续摩尔定律。但硅基芯片的内置可用规格逐渐逼近天花板，寻找一种能够替代硅元素地位的新型元素，成为未来半导体进步的必要前提。

我是柏柏说 科技 ，资深半导体 科技 爱好者。本期为大家带来的资讯是：IMEC举办的IEEE会议。延续摩尔定律，2纳米以下芯片的关键原料，决定未来半导体发展方向的国产石墨烯技术。

老规矩，开门见山。针对硅基芯片内置规格有限，IMEC在2021年召开的“IEEE国际芯片导线技术会议”提出了几种可用来延续未来摩尔定律的异质整合方法。值得一提的是：IEEE会议提出的异质整合方法大多都是建立在石墨烯材料基础上的。

口说无凭，IMEC在IEEE会中提出的异质整合方法有哪些呢？芯片制造后端制程采用通孔混合异端金属布线、半镶嵌制程、零通孔结构解决因硅基晶体管数量增多产生的布线拥塞，讯号迟缓问题。由于石墨烯材料具备优良的导电性、导热性以及电子活泼性等良好特性；成为IEEE的首选研究对象。

其它质量因素采用钴、钌、钨、铝镍合金、钌钒合金等有序二元介金属化合物代替传统的硅晶圆，用来解决导线层布线冗杂等布局问题。补充一点，这里说的质量因素指代块材电阻与金属内部载子平均自由路径。需要注意的是，上述提到的这些都是建立在“将石墨烯材料作为金属材料的氧化阻障层、超薄扩散阻障层”的理论模型上的。

也就是说，IMEC在IEEE会中提出的异质整合方法，其包含的能够解决2纳米以下制程芯片导线冗杂方法，诸如在铜等金属中混杂石墨烯或是在掺杂金属元素的方案，其作用对象都是石墨烯材料。之所以朝石墨烯中加入金属元素，是为了提高石墨烯的载流子浓度。需要注意的是，石墨烯材料是导电的，但是石墨烯的导电率是由电子迁移率决定的。

研究中，IEEE将包含化学气相沉积的多层石墨烯薄膜，成功转移到5纳米的钌金属薄膜上，将钌与石墨烯制程组件结构，发现石墨烯可以完全的依附在钌金属薄膜上。这也证明了石墨烯材料可以通过掺杂金属物的方式，来将其用于高精尖芯片的制造中。包括后续对钌、石墨烯制成物进行封装等试验过程，全都在一定程度上证实了石墨烯将可能成为未来延续摩尔定律的最佳材料。

与我们在锗基、硅基等第一代半导体材料中被国外核心技术“卡脖子”的处境不同；我国在第二代、第三代半导体材料中的技术位居世界一流。而属于第三代半导体材料的石墨烯，是我国未来发展半导体行业的“一张王牌”。中科院早在2020年10月16日，便已经实现了8英寸石墨烯晶圆的量产。

毫不夸张地说，石墨烯有望成为用于延续未来摩尔定律的新型材料，我国的石墨烯技术将成为未来全球半导体原材料的重要组成部分。这次IEEE通过将钌、钴等元素混杂到石墨烯晶圆中的试验，也为后续半导体产业链朝石墨烯方向变更提供了一定的基础理论。

拿目前我国实现产业链自主化的28纳米制程举例；石墨烯材料优于硅基材料的内置架空性与导电性、散热性，决定了石墨烯芯片优于硅基芯片。同为28纳米制程的石墨烯芯片，其性能是硅基芯片的5~10倍。也就是说，28纳米制程的石墨烯芯片，其性能表现媲美采用5纳米到3纳米制程的硅基芯片。

简单来说，如果日后石墨烯晶圆能够实现大批量生产，与之相匹配的产业链逐步完善。我们完全可以避开国外的EUV光刻机，来生产出质量更优、性能更高、成本更低的芯片。毕竟我国是第一个实现8英寸晶圆量产的国家。

当然，以目前的现状来看，硅基半导体芯片依旧是主流。28纳米制程的半导体芯片占半导体芯片市场的60%。但不同于硅晶体提炼方法，高质量的石墨烯材料其适宜的成长温度在900 到1000 之间。此外，通过加入金属元素来提高电阻的做法虽说可以有效控制石墨烯材料的电子活性，但对比硅基材料，石墨烯材料的时间、经济成本都比较高。

虽说不如云南大学的硫化铂成本高，但对于一家企业来说，设备链更替所需要的成本已经够高了。更何况用于芯片制造的原料，其量产规模很大。额外的成本往往也是很多企业难以承受的。例如中芯国际曾在客户互动平台上表示（上图），考虑到时间、资金成本，公司暂无石墨烯晶圆业务。

我们应该在继续发展硅基半导体的基础上，着手未来石墨烯晶圆设备链的攻坚，着眼未来的同时也要把握当下。祝愿国产半导体厂商愈发强大，在半导体领域中早日掌握核心技术。

对于“国产半导体行业日趋成熟的石墨烯技术”，大伙有什么想说的呢？你认为石墨烯技术能否助力我国在半导体领域中实现高精尖制程芯片自给自足的目标呢？欢迎在下方留言、评论。

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修改了2018年的个别用词，现在虽然国际环境大变，没太多时间修改，先这样了。。。

我是韩国半导体博士，回国985高校教师，个人认为，说半导体几年内干掉韩国纯粹是给自己人希望而已，当然也要看怎么说。下面我简单的分析几点，详细的内容只有上我的课才会说^_^：

半导体产业做的好，最重要的是防震的实验室、高端设备、人才。韩国历史上没有自然灾害，也没地震，自称“上帝是韩国的”，国内难以找到这种地方；就算找到了，高端设备国外对中国禁运，中国能自己研发的话，那国产发动机早比国外牛了；国外的半导体人才都是学生亲自上手做实验，国内因为设备少且质量差，学生还多，所以干脆都是聘的工程师，硕士博士生很难亲自动手，设计的芯片很多都是纸上谈兵，也就搞个理论，真用的话没法用。还有个问题，韩国各大半导体公司基本免费给高校的学生代工，政府按照代工量给他们降税，这样，学生们设计的很复杂的芯片，不想自己动手的（有时一个工序自己做要10个月，最后可能还发现设计失误了），可以拿到与设计高度吻合的便宜芯片（2013年，0.18um工艺，5000元人民币左右），当然，这个政府支持在日本、中国台湾、欧洲都有，但大陆没有。

半导体产业如果真要大力发展，国家要做好既费钱又没成效的阶段，有好的团队且运气好的话，这个阶段大概十年，也就是找到了国外做的并不很好而且自己还有很巧妙可用的idea才行，半导体行业，在产品领域，一种产品基本只有一个公司是挣钱的，剩下的是怀着希望投钱干，但是，十年的过程中，领导2个任期都过了，这个工作没给他产生任何政绩，领导会大力支持么？

个人认为有一个解释方法是可以说马上超过韩国的，那就是中国台湾。韩国半导体卧薪尝胆20多年，终于在2000年后干死了日本，原因是日本地震厉害，实验室的造价是韩国的四倍（韩国的实验室价钱基本与所有设备之和持平），所以日本芯片成本高，被韩国的价格战干死了，临死前，日本首席经济大臣跟韩国进行了谈判，希望保留不到10分之一的半导体芯片公司，让韩国给个生路，因为他们希望技术能够延续下去。韩国答应了，结果日本随手就卖给了台湾，让台湾去报仇，正好赶上在2012年12月，韩国半导体领域发生了一件事，在济州岛开了个半导体全国会议（我也去了，我其实每年都去），这次会议成了一个里程碑，因为这次会上半导体相关的公司、高校、研究所聚在一起讨论了一个问题“10nm以下半导体工艺还继续研究不？”，主要是因为这个尺度量子效应渐渐明显，经典物理基础上的仿真计算都不能保证芯片可靠性了，需要从头研发的内容太多，造价太高，讨论结果是不干了。结果2015年，台积电10nm芯片一出，打了韩国棒子一个响亮的耳光，弯道超车了。当然，这只是工艺部分，在拓扑结构，存储，IC等设计领域，棒子依旧坚挺。

总的来说，希望不能丢，差距还是客观对待。很多科研大佬肯定要这么说，不然国家对这个绝望了的话，怎么给科研经费?反过来讲，科研经费不足，就更不可能追上了，最后芯片成为棒子的暴利产品。所以这些大佬这么说，也是为了国家发展不得已，我们还是要理解、谅解、支持。

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