“硅谷”變“碳谷”？IBM打造出世界最小晶體管

　　隨著計(jì)算機(jī)全面進(jìn)入納米時(shí)代，工程師們發(fā)現(xiàn)想要遵循摩爾定律變得越來(lái)越難了。

　　1965 年，Intel創(chuàng)始人戈登·摩爾提出了提出了“摩爾定律”，即集成電路上可容納的晶體管數(shù)量大約每隔 1-2 年便會(huì)增加一倍，性能也隨之翻倍。

　　五十多年來(lái)，摩爾定律一直有效，但目前業(yè)界的預(yù)測(cè)是，未來(lái) 10-15 年，在進(jìn)行三次技術(shù)升級(jí)后，芯片制造工藝將達(dá)到 5 納米，這意味著單個(gè)晶體管柵極的長(zhǎng)度將僅為10個(gè)原子大小。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)突破幾乎是不可能的——從技術(shù)上講，你不可能造出單個(gè)原子大小的晶體管。

　　圖丨研究人員想象出的單原子晶體管概念圖

　　另外，因?yàn)榭紤]到生產(chǎn)成本，制造商們將不再有意愿繼續(xù)改進(jìn)制程工藝，因?yàn)槟壳暗男酒?jì)算能力基本可以滿足需求。這一趨勢(shì)其實(shí)在模擬芯片市場(chǎng)早就出現(xiàn)了，很多模擬芯片廠商還在使用五年前的工藝來(lái)生產(chǎn)產(chǎn)品。

　　而且，像移動(dòng)設(shè)備中使用的 WiFi 芯片，28納米的制程工藝已經(jīng)足夠好了，完全沒(méi)必要花費(fèi)大筆研發(fā)經(jīng)費(fèi)去升級(jí)到 10 納米 CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝。

　　正因?yàn)樯鲜鲞@些原因，讓近來(lái)關(guān)于摩爾定律即將失效的言論越來(lái)越盛行。使用了五十多年的硅基 CMOS 晶體管制造工藝，如果在未來(lái)無(wú)法找到可行的替代方案，我們或許真的會(huì)遭遇計(jì)算力瓶頸。

　　不過(guò)，好在科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界也都預(yù)計(jì)到了瓶頸期的臨近，也試圖尋找各種各樣的辦法，讓摩爾定律繼續(xù)有效。

　　這次，來(lái)自IBM的研究人員們找到了一種全新的芯片制造工藝，而且制造晶體管所使用的材料不再是硅，而是碳納米管!研究成果一經(jīng)公布，《Science》雜志官網(wǎng)甚至發(fā)文表示：IBM的科學(xué)家基于碳納米管打造世界最小晶體管，難道“硅谷”終將變成“碳谷”?

　　圖丨“硅谷”終將變成“碳谷”?

　　文歸正題!來(lái)自 IBM 的研究人員剛剛公布了一種全新的晶體管制造方法：使用碳納米管來(lái)替代傳統(tǒng)的硅基 CMOS 工藝，題目為“Carbon nanotube transistors scaled to a 40-nanometer footprint”的研究報(bào)告也已發(fā)表于今天出版的《Science》雜志上。

　　其實(shí)，科學(xué)家們一直在對(duì)碳納米管晶體管進(jìn)行持續(xù)的探索——這是一種直徑僅為 1 納米，或十億分之一米的管狀納米級(jí)石墨晶體。

　　但是，使用碳納米管來(lái)替代傳統(tǒng)硅基晶體管最大的難度在于，如果要達(dá)到理想的性能，碳納米管截面直徑要達(dá)到 100 納米左右，這比目前的硅晶體管要大得多。

　　圖丨碳納米管

　　為了減少這個(gè)數(shù)字，來(lái)自 IBM 托馬斯J.沃森研究中心的研究團(tuán)隊(duì)使用了一種全新的技術(shù)來(lái)構(gòu)建電流流入、流出的碳納米管觸點(diǎn)——使用鉬金屬來(lái)直接接駁碳納米管端部，從而減小了體積。

　　同時(shí)，他們還添加了鈷，使得這種連接在較低溫度下也能生效。原理非常簡(jiǎn)單，由于熱脹冷縮，低溫能減小觸點(diǎn)間的間隙。

　　研究中還解決了一個(gè)重要問(wèn)題，那就是如何在觸點(diǎn)間傳輸足夠的電流。研究人員通過(guò)在相鄰晶體管之間平行放置由數(shù)根碳納米管組成的納米線解決了該問(wèn)題。

　　最終，整個(gè)晶體管的接腳面積被壓縮到了40平方納米。這個(gè)數(shù)字成為了“國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖”(International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)近十年來(lái)的新標(biāo)桿。

　　而且在隨后的測(cè)試表明，IBM研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)碳納米管晶體管比目前的硅晶體管速度更快、效率更高!

　　圖丨ITRS是由世界上五個(gè)主要的半導(dǎo)體制造國(guó)家和地區(qū)的相關(guān)協(xié)會(huì)所資助的組織，其最新研究報(bào)告指出，晶體管將在2021年開(kāi)始停止繼續(xù)縮小。圖中藍(lán)色曲線為2013年的預(yù)測(cè)，紅色曲線為2015年最新預(yù)測(cè)。

　　晶體管能夠縮小到如此小的尺寸，要?dú)w功于用碳納米管代替硅作為晶體管間的通道。碳納米管的厚度只有1納米，這樣的厚度在靜電場(chǎng)上有著顯著的優(yōu)勢(shì)，可以讓器件的柵極長(zhǎng)度降低到10納米，且不會(huì)造成短溝道效應(yīng)給器件性能帶來(lái)的不利影響。

　　另外，納米管的另一個(gè)好處就是擁有更快的電子傳輸速度，這對(duì)于提升器件性能無(wú)疑是至關(guān)重要的。

　　此外，晶體管微型化的另一個(gè)關(guān)鍵在于采用“端點(diǎn)連接技術(shù)”。通常來(lái)講，晶體管中的金屬部分是沿著晶體管中主體半導(dǎo)體材料縱向粘接，導(dǎo)致粘接的部分很長(zhǎng)。而IBM展示的這種端點(diǎn)連接技術(shù)可以使得晶體管的粘接部位長(zhǎng)度大大縮小：從 300 納米縮小到僅 10 納米，而且不會(huì)增加電阻。

　　圖丨使用了碳納米管的器件模型

　　為了保證器件的可靠性，IBM的研究人員還對(duì)碳納米管中的金屬部件進(jìn)行了熱穩(wěn)定性和碳反應(yīng)性測(cè)試。然后，還要保證端點(diǎn)在足夠低的溫度下仍然可以進(jìn)行連接，以維持器件的幾何形狀。

　　然而，保證低溫狀態(tài)下的穩(wěn)定連接也是一個(gè)難題，研究人員在反復(fù)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，鈷鉬合金在碳納米管粘接上有著出乎意料的優(yōu)勢(shì)：

　　一方面，鉬能保證合金的熱穩(wěn)定性;另一方面，鈷則起到了在相對(duì)較低溫度下進(jìn)行連接的催化劑作用。將兩種金屬的特征相結(jié)合，可以避免碳納米管粘合金屬時(shí)所需的650攝氏度高溫。

　　這次 IBM 發(fā)表于《Science》雜志的論文聯(lián)合作者、IBM沃森研究中心研究員，同時(shí)也是 2016 年《麻省理工科技評(píng)論》“年度35歲以下創(chuàng)新35人”(MIT TR35)獲得者曹慶(Qing Cao)表示：“使用低功函數(shù)金屬實(shí)現(xiàn)納米管的端部接觸是非常困難的。然而，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些工藝來(lái)有效地?fù)诫s納米管通道，所以即便是在在高功函數(shù)金屬端部接觸的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)n溝道(n-channel)器件的操作。”

　　圖丨IBM沃森研究中心研究員，MIT TR35獲得者曹慶

　　雖然，通過(guò)摻雜實(shí)現(xiàn) n 溝道器件操作還有很多需要改進(jìn)的地方，但頂柵結(jié)構(gòu)的器件確實(shí)具有令人意想不到的優(yōu)勢(shì)。與底柵結(jié)構(gòu)相比，目前硅晶體管中使用的頂柵器件結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)器件之間的復(fù)雜連接，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)更高的器件集成密度。

　　所以，除了與鈷鉬合金觸點(diǎn)端接的納米管通道之外，納米管的頂部也覆蓋有一層超薄的高介電氧化物，作為具有金屬頂柵的柵極介電層。

　　圖丨單個(gè)碳納米管晶體管的結(jié)構(gòu)圖及顯微圖

　　當(dāng)然，作為一項(xiàng)全新技術(shù)，曹慶也承認(rèn)，在高性能納米管邏輯晶體管真正成為商業(yè)化技術(shù)之前，還有一些制程方面的問(wèn)題需要解決。

　　曹慶表示，目前階段的主要挑戰(zhàn)是器件的穩(wěn)定性，但最終團(tuán)隊(duì)希望能將數(shù)十億納米管晶體管集成到功能電路中。為了做到這一點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)需要保證晶體管之間良好的一致性，從而實(shí)現(xiàn)在相同電壓下，所有晶體管都能正常工作。

　　圖丨傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體邏輯門制造工藝以及鈍化步驟

　　盡管在過(guò)去幾年中，半導(dǎo)體納米管的純度已得到顯著改善，經(jīng)過(guò)通電檢測(cè)，其純度已經(jīng)升到了99.999%以上，但制造過(guò)程需要更穩(wěn)定和更加標(biāo)準(zhǔn)化，從而能夠保證將來(lái)大批量生產(chǎn)時(shí)的可靠性。