为什么说7nm是半导体工艺的极限,但现在又被突破了?

发布网友发布时间：2022-04-24 18:23

共7个回答

热心网友时间：2023-01-27 03:46

适用了20余年的摩尔定律近年逐渐有了失灵的迹象。从芯片的制造来看，7nm就是硅材料芯片的物理极限。不过据外媒报道，劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队打破了物理极限，采用碳纳米管复合材料将现有最精尖的晶体管制程从14nm缩减到了1nm。那么，为何说7nm就是硅材料芯片的物理极限。

　芯片的制造工艺常常用90nm、65nm、40nm、28nm、22nm、14nm来表示，比如Intel最新的六代酷睿系列CPU就采用Intel自家的14nm制造工艺。现在的CPU内集成了以亿为单位的晶体管，这种晶体管由源极、漏极和位于他们之间的栅极所组成，电流从源极流入漏极，栅极则起到控制电流通断的作用。

　　而所谓的XX nm其实指的是，CPU的上形成的互补氧化物金属半导体场效应晶体管栅极的宽度，也被称为栅长。

　　栅长越短，则可以在相同尺寸的硅片上集成更多的晶体管——Intel曾经宣称将栅长从130nm减小到90nm时，晶体管所占得面积将减小一半；在芯片晶体管集成度相当的情况下，使用更先进的制造工艺，芯片的面积和功耗就越小，成本也越低。

　　栅长可以分为光刻栅长和实际栅长，光刻栅长则是由光刻技术所决定的。由于在光刻中光存在衍射现象以及芯片制造中还要经历离子注入、蚀刻、等离子冲洗、热处理等步骤，因此会导致光刻栅长和实际栅长不一致的情况。另外，同样的制程工艺下，实际栅长也会不一样，比如虽然三星也推出了14nm制程工艺的芯片，但其芯片的实际栅长和Intel的14nm制程芯片的实际栅长依然有一定差距。

热心网友时间：2023-01-27 05:04

CPU生产厂商不遗余力地减小晶体管栅极宽度，以提高在单位面积上所集成的晶体管数量。不过这种做法也会使电子移动的距离缩短，容易导致晶体管内部电子自发通过晶体管通道的硅底板进行的从负极流向正极的运动，也就是漏电。而且随着芯片中晶体管数量增加，原本仅数个原子层厚的二氧化硅绝缘层会变得更薄进而导致泄漏更多电子，随后泄漏的电流又增加了芯片额外的功耗。

　　为了解决漏电问题，Intel、IBM等公司可谓八仙过海，各显神通。比如Intel在其制造工艺中融合了高介电薄膜和金属门集成电路以解决漏电问题；IBM开发出SOI技术——在在源极和漏极埋下一层强电介质膜来解决漏电问题；此外，还有鳍式场效电晶体技术——借由增加绝缘层的表面积来增加电容值，降低漏电流以达到防止发生电子跃迁的目的......

　　上述做法在栅长大于7nm的时候一定程度上能有效解决漏电问题。不过，在采用现有芯片材料的基础上，晶体管栅长一旦低于7nm，晶体管中的电子就很容易产生隧穿效应，为芯片的制造带来巨大的挑战。针对这一问题，寻找新的材料来替代硅制作7nm以下的晶体管则是一个有效的解决之法。

热心网友时间：2023-01-27 06:39

作者：知乎用户链接：https://www.hu.com/question/51427338/answer/126016552来源：知乎著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。
10年前我们觉得65nm工艺是极限，因为到了65nm节点二氧化硅绝缘层漏电已经不可容忍。所以工业界搞出了HKMG，用high-k介质取代了二氧化硅，传统的多晶硅-二氧化硅-单晶硅结构变成了金属-highK-单晶硅结构。5年前我们觉得22nm工艺是极限，因为到了22nm沟道关断漏电已经不可容忍。所以工业界搞出了finfet和FD-SOI，前者用立体结构取代平面器件来加强栅极的控制能力，后者用氧化埋层来减小漏电。现在我们觉得7nm工艺是极限，因为到了7nm节点即使是finfet也不足以在保证性能的同时抑制漏电。所以工业界用砷化铟镓取代了单晶硅沟道来提高器件性能。
当我们说工艺到了极限的时候，我们其实是在说在现有的结构、材料和设备下到了极限。然而每次遇到瓶颈的时候，工业界都会引入新的材料或结构来克服传统工艺的局限性。当然这里面的代价也是惊人的，每一代工艺的复杂性和成本都在上升，现在还能够支持最先进工艺制造的厂商已经只剩下三家半了。

我还是写一下吧……
三家半指Intel、台积电、三星和GlobalFoundries。Global Foundries 10nm至少要落后两年，所以算半家。
AMD 在2009年拆分了制造部门，成立了Global Foundries。IBM 在2014年将整个半导体部门卖（应该说是送……）给了Global Foundries。所以现在AMD 和IBM 都没有制造部门了。
Global Foundries宣布搁置7nm研发，把它这半家也划掉吧……

热心网友时间：2023-01-27 08:30

半导体（ semiconctor），指常温下导电性能介于导体（conctor）与绝缘体（insulator）之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。如二极管就是采用半导*作的器件。半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

热心网友时间：2023-01-27 10:38

尺寸缩小，相应光刻的工艺就要提升，比如曝光机用光源就要换成电子束或者波长更短的射线来保证不会产生干涉、衍射现象对图形的影响。
而且当尺寸缩小到一定程度时，更小的尺寸只会出现在实验室里，而不具有商业价值了。因为尺寸缩小带来的集成度的提高所产生的收益已经不足以抵消提高工艺所需的成本了。除非是特殊需要，比如军用要求高速高可靠不计成本，一般的企业是不会去研究深纳米工艺的。