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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基于硅基晶体管，眼下业界主流的晶体管架构可分鳍式场效应晶体管、环绕栅极晶体管；而工业界的晶体管栅极尺寸为12纳米以上。在此背景下，芯片企业想要实现更高制程的芯片制造，提高光刻机精度和改进、优化晶体管架构是比较常见的方法。事实上，通过缩短晶体管栅极尺寸，提高晶体管数量也是提高芯片性能的可行方案。
为什么提到这个呢？当然是因为我们具备了第三种方案的技术。即通过缩短晶体管栅极尺寸，变相提高芯片性能。2022年3月12日消息，清华大学破冰行业技术瓶颈，首次实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管，且在此基础上具备良好的电学性能。
清华大学官网消息显示，由集成电路学院任天令教授带领的团队在小尺寸晶体管研究中获得了巨大的突破。成功实现了亚1纳米栅极长度的晶体管改造。这里简单普及一个知识，一般来说，晶体管栅极长度越短，硅基芯片架构可容纳的晶体管数量也就越高，如果有办法实现栅极长度和芯片性能的反比，也就是带电性能，那么我们完全可以降低对光刻机制程的要求。
更重要的一点来了，据清华大学官网消息显示：团队推出的亚1纳米栅极长度晶体管，具备良好的电学性能。这意味着通过缩短晶体管栅极长度降低或避免对EUV光刻机的依赖程度的方案有望实现。可能有些朋友会说，我们想到采用缩短晶体管栅极长度来提高芯片性能，国外想不到吗？答：国外能想到，但是技术、性能和电力稳定性都没有我们高。
事实上，早在2012年，日本实现了等效3纳米的平面无结构型硅基晶体管。2016年，美国实现了物理栅长1纳米的平面硫化钼晶体管。清华大学实现的亚1纳米栅极晶体管的物理栅长为0.34纳米。对比日美半导体，显然我们的精度更高一些。只是精度高了吗？当然不是！
首先让我们先分析一下日本与美国分别在2012年和2016年推出的等效3纳米、1纳米物理栅极晶体管的劣势。日本在2012年推出的等效3纳米平面无结构型硅基晶体管因架构的不成熟和晶体管性能的不稳定，导致项目最后搁置。而美国推出的物理栅长1纳米的平面硫化钼晶体管虽说有比较稳定可靠的架构支撑，但在原料的选择上却出了岔子。即采用稳定性极差的硫作为原料。
清华大学研究团队巧妙地利用现有的技术优势，将石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电性能作为栅极，基于石墨烯的侧向电场来对垂直的Mo S2沟道进行开关控制，在确保性能、电场稳定性的基础上，实现了等效0.34纳米的物理栅极晶体管构造。
有意思的是，论石墨烯技术，我们可是西方的“祖师爷”。即早在2020年我们便实现了8英寸、12英寸石墨烯晶圆的商用量产。不过这倒解释了为何国外逐步放弃了对栅极长度的缩减方案，因为他们缺少成熟的原料技术。关于石墨烯，想必大伙早先也听说了许多关于该原料的报道。同等制程下的石墨烯芯片性能是硅基芯片的5~10倍。至于权威性，IEEE全球权威半导体组织给出了确认。即石墨烯材料有望成为未来延续摩尔定律的关键性原料。
回到清华大学这里。研究团队破冰成功的0.34纳米物理栅极晶体管，通过在石墨烯表面沉积金属并将其自然氧化的方式，完成了石墨烯垂直方向的电场屏蔽。这还没完，为了进一步提高晶体管的稳定性，清华团队还使用了原子层沉积的二氧化碳 铪作为栅极介质、化学气相沉积的单层二维二硫化钼薄膜作为沟道。
值得一提的是，为了实现对石墨烯边缘电场对垂直二硫化钼的有效调控，清华大学研究团队还采用了基于工艺计算机辅助设计（TCAD）。目前该研究成果已经发布在国际顶级学术期刊《自然》上。这也侧面打消了部分人对该项成果的怀疑、猜测。
总的来说，清华大学此次突破的研究成果，有望助力我们日后实现在高端芯片领域中的独立自主的目标。希望清华大学早日将这项技术推出、落地。早日实现从实验室到工厂应用的转变。
对于清华大学破冰成功的等效0.34纳米物理栅长晶体管，大伙有什么想说的呢？后续如果我们想要通过石墨烯来实现在半导体领域的持平、赶超，势必会遇到许多的难题。包括基础建设以及人才培养方面的。对此你有什么好的意见和建议呢？
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