纳米片技术：刷新半导体行业，拯救摩尔定律

工程7（2021）1655新闻亮点纳米片芯片有望拯救摩尔罗伯特·波利高级技术作家半导体行业最近达到了一个重要的里程碑，国际商业机器公司（IBM）的研发部门IBM Research于2021年5月展示了它所宣称的“世界上第一个2纳米芯片”（图1）。 1）[1]。该测试芯片使用了一种名为堆叠纳米片的突破性技术，以实现新的晶体管密度水平（每平方毫米的晶体管），为更快，更节能的半导体铺平了道路。“纳米片技术为摩尔定律提供了新的动力，”美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院（MIT）电气工程教授Jesús del Alamo说。‘‘We shouldcontinue to expect dramatic improvements in chip这是一个好消息，因为摩尔德尔阿拉莫指出，摩尔定律的光明未来 ‘‘In the United States, we are discussing big investments toregain leadership in advanced chip technology,” he近年来，一些观察家预测，摩尔主流的晶体管架构，图1.一、这种硅晶片在美国纽约州奥尔巴尼的IBM研究所制造，包含数百个2纳米芯片。图片来源：IBM Research，经许可。鳍式场效应晶体管（FinFET）遇到了基本的物理极限，不能再进一步缩小[4]。纳米片克服了这些障碍，使更大的结晶和更高的密度。具体来说，纳米片使用芯片晶体管的功能就像微小的电子开关，使用金属栅极来切换电流的通断。在过去十年中一直是主导晶体管架构的FinFET中，载流沟道由硅制成的薄垂直鳍片组成，三面与栅极接壤。问题是，随着晶体管尺寸变小，FinFET栅极不再能够完全关闭电流。即使晶体管处于“关闭”状态，电子也会继续通过沟道渗透纳米片晶体管用一堆水平硅片取代了FinFET的鳍形沟道，每个硅片都这种出色的栅极覆盖（四边而不是三边）提供了更好的静电控制，并最大限度地减少了关断状态下的泄漏。纳米片还提供了更大的设计灵活性，让芯片制造商通过调整片的宽度来微调性能和功耗之间的权衡（更宽的片允许更多的电流和更快的开关，而更窄的片限制电流并减少能源使用）。相比之下，在FinFET中，鳍的尺寸是固定的，因此设计人员只能通过改变鳍的数量来进行粗粒度调整[6]。图二.透射电子显微照片显示了一排IBM的2纳米堆叠纳米片晶体管。每个晶体管都有三个被栅极材料包围的纳米片。图片来源：IBM Research，经许可。https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.11.0082095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engR. Pollie Engineering 7（2021）1655纳米片已经开发了多年。IBM Research在2017年展示了该技术IBM最新的纳米片芯片将事情推进了一大步。在2 nm时，它比当今领先的7nm芯片密度高出几代，并且远远超出了FinFET的限制，FinFET在3nm以下的规模是不切实际的。注意“7 nm”、”5 nm”和“3 nm”不是指精确的测量值芯片的特点。相反，它们是半导体工艺代（“节点”）的行业简写IBM声称其2 nm纳米片技术将使500亿个晶体管能够被挤压到150 mm2（大约指甲大小）的芯片上，与尖端的7 nm芯片相比，它将提供高45%的性能或低75%的功耗[8]。‘‘We expect the 2 nm technology to go into production by theend of 2024,” said Mukesh Kahre, vice president of Cloud atIBM将不会自己生产芯片-该公司在2014年停止生产半导体[9]-但将与制造合作伙伴合作将该技术商业化。在创建一个功能2纳米测试芯片，现在的挑战是获得高产量和可靠的高产量。Kahre说，基于IBM纳米片技术的芯片性能优化的2纳米芯片可以大大提升人工智能、自动驾驶汽车和机器学习等处理密集型应用，而低功耗版本可以延长移动系统的电池寿命，减少数据中心的碳足迹。IBM本身可能会成为新芯片的首批客户之一，并将其用于企业服务器Power系列等产品中。IBM并不是唯一一家转向纳米片的公司;所有三大半导体制造商都将这项技术列入了他们的路线图。三星计划最快于2022年在3 nm芯片中部署其版本的纳米片晶体管，称为多桥沟道FET（MBCFET）[6]，而英特尔计划在2024年推出其据报道，台湾半导体制造有限公司（台积电）将坚持使用3纳米以下的FinFET，然后在2009年过渡到纳米片。2 nm[12]。芯片制造商能在纳米片浪潮中走多远？Hutcheson认为，这项技术‘‘Not only can you stack nanosheets to create individualtransistors, 这是因为，在纳米片晶体管中，沟道和其他元件层叠在硅衬底的顶部。添加更多的晶体管只是意味着应用更多的层，就像在建筑物顶部添加另一层楼一样。另一方面，在FinFET中，鳍形沟道是从硅衬底本身中切割出来的，所以晶体管被限制在英特尔已经展示了多晶体管堆叠，使用纳米片技术将N沟道金属氧化物半导体（NMOS）晶体管搭载在P沟道金属氧化物半导体（PMOS）晶体管之上[13]。在常规设计中，这两种类型的晶体管一起构成互补金属氧化物半导体（CMOS）电路（基本的半导体器件）。芯片的构建块）并排布置。通过堆叠它们，设计师可以将占地面积减半。这种节省空间的结构--向上而不是向外--对半导体技术具有潜在的积极意义。哈奇森说：“即使不缩小晶体管，你仍然可以提高密度。”“这是一个游戏改变者。它提供了一种方法，即使在核心技术遇到尺寸限制后，也可以继续增加晶体管数量。这是一种提高逻辑半导体密度的全新方法。这就是为什么我认为我们可以把摩尔定律推迟摩尔电路设计师只能将一定数量的晶体管装入有限的空间。研究人员毫不气馁，正在探索其他方法来提高芯片性能和节省电力。例如，德尔·阿拉莫和他在麻省理工学院的研究小组正在探索用砷化铟镓（InGaAs）等新材料取代传统上用于晶体管沟道的硅的可能性。他说，这种化合物“允许电子更快地移动，在其他条件相同的情况下，我们可以获得更多的电流和更高的性能;或者相反，我们可以降低电压并降低功耗。‘‘But as you can imagine there are many newchallenges that will引用[1] 约翰逊·D IBM推出全球首款2纳米节点芯片[互联网]。纽约市：IEEE Spectrum;2021 年 5 月 6 日 [ 引 用 2021 年 9 月 20 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ：https://spectrum.ieee.org/ibm-introduces-the-worlds-first-2nm-node-chip[2] Poeter D.摩尔定律如何纽约市：PC Magazine; 2015年4月19日[引用于2021年9月 20 日 ] 。 可 从 ： https://www.pcmag.com/news/how-moores-law-changed-history-and-your-smartphone获取。[3] 奈特·W美国需要重新回到制造芯片（互联网）的行业旧金山：连线; 2021年7月14日 [ 引 用 2021 年 9 月 20 日 ] 。 可 从 以 下 www.wired.com/story/us-needs-back-business-making-chips/获得：[4] Malinowski A，Chen J，Mishra SK，Samavedan S，Sohn DK.是什么扼杀了摩尔定律？先进FinFET技术集成面临的挑战。在：2019年MIXDES-第26届集成电路和系统混合设计国际会议论文集; 2019年6月27日[5] Ye PD，Ernst T，Khare MV.纳米片晶体管是摩尔定律的下一个（也许是纽约市：IEEE 频 谱 ;2019 年 7 月 30 日 [ 引 用 2021 年 9 月 20 日 ] 。 可 从 ：https://spectrum.ieee.org/the-nanosheet-晶体管是下一个，也许是最后一步摩尔定律。[6] 三星的3纳米技术显示了纳米片晶体管的优势[互联网]。纽约市：IEEE Spectrum;2021年3月5日[引用于2021年9月20日]。可从https://spectrum.ieee.org/samsungs-3nm-tech-shows-nanosheet-获得晶体管优势。[7] Loubet N，Hook T，Montanini P，Yeung CW，Kanakasabapathy S，GuillomM等人，Stacked nanosheet gate-all-around transistor to enable scaling beyondFinFET。In：Proceedings of 2017 Symposium on VLSI Technology; 2017 Jun 5[8] IBM推出世界Albany：IBM Newsroom; 2021 May 6 [cited 2021 Sep 20].可从：https://newsroom.ibm.com/2021-05-06-IBM-世界第一-2纳米芯片技术，-打开一个新的前沿半导体。[9] 锡 伯 杜 河 IBM 退 出 半 导 体 业 务 并 重 新 创 建 自 己 [ 互 联 网 ] 。 Fragrance ：Computerworld; 2014 年 10 月 20 日 [ 引 用 于 2021 年 9 月 20 日 ] 。 可 查 阅 ：https://www.computerworld.com/article/2835940/ibm-exits-www.example.com www.example.com。[10] 沃德-福克斯顿SIBM推出世界旧金山：EE Times; 2021年5月6日[引用2021年9月20日]。可从以下网址获得：https：//www. eetimes.com/ibm-unveils-worlds-first-2-nm-chip/网站。[11] 英特尔：到2025年重返榜首？[互联网]。纽约市：IEEE Spectrum; 2021年7月29日[引用于2021年9月20日]。网址：https：//spectrum。ieee.org/intel-says-its-manufacturing-tech-will-lead-the-world-by-2025网站。[12] 拉佩杜斯湾新的晶体管结构在3纳米/2纳米[互联网]。圣何塞：半导体工程; 2021年1 月 25 日 [ 引 用 2021 年 9 月 20 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ：https://semiengineering.com/new-transistor-structures-at-3nm-2nm/[13] 英特尔的堆叠纳米片晶体管可能是摩尔定律的下一步。纽约市：IEEE Spectrum;2020 年 12 月 29 日 [ 引 用 于 2021 年 9 月 20 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ：https://spectrum.ieee.org/intels-stacked-nanosheet-transistors-could-be-the-next-step-in-moscill-law。1656