文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

硅作為半導體材料在集成電路應用中的核心地位無可爭議，然而，隨著科技的進步和器件特征尺寸的不斷縮小，硅集成電路技術正面臨著一系列挑戰，本文分述如下：1.硅集成電路的優勢與地位;2.硅材料對CPU性能的影響;3.硅材料的技術革新。

硅集成電路的優勢與地位

硅材料以其豐富的資源、優質的特性、完善的工藝以及廣泛的用途，在集成電路產業中占據了主導地位。其優點包括：

1. 地球儲量豐富：硅原料成本低廉，易于獲取。

2. 工藝成熟：經過幾十年的發展，硅的提純工藝已經非常完善，能夠制造出所需的各類型晶體結構。

3. 金半界面完美：Si/SiO2界面可以通過氧化獲得，為集成電路中的核心器件提供了基礎。

4. 摻雜和擴散工藝成熟：硅的摻雜和擴散工藝已經積累了豐富的經驗，可以滿足器件要求。

這些優勢使得硅半導體材料在集成電路制造業中稱霸了半個世紀以上。然而，隨著器件特征尺寸的不斷縮小，硅集成電路技術正面臨著一系列挑戰：

圖1 硅在集成電路中的核心位置和面臨的新挑戰

1. 物理極限的限制：當器件尺寸進入納米尺度后，一些基本物理規律開始發揮作用，如量子效應、隧穿效應等，這些效應會影響器件的性能和穩定性。柵極氧化層的厚度已經接近或達到物理極限，進一步減小將變得非常困難。

2. 材料、技術、器件和系統方面的物理限制：隨著尺寸的減小，熱管理問題變得越來越突出。小尺寸器件的散熱能力下降，容易導致溫度升高，影響器件性能和可靠性。制造成本隨著尺寸的減小而增加。雖然單位芯片的成本可能降低，但整體的制造成本由于工藝復雜度的增加而上升。器件間的互連問題變得更加復雜。隨著尺寸的減小，互連線的寬度和間距也減小，這增加了互連線的電阻和電容，從而影響了信號傳輸的速度和質量。

3. 一維發展模式的局限性：硅集成電路技術主要依賴于一維(即平面方向)的發展模式。然而，隨著尺寸的減小，這種模式已經接近其物理極限。為了繼續提高集成電路的性能和密度，需要探索新的三維發展模式或其他新型技術。

面對這些挑戰，硅集成電路技術可能需要與其他新型技術相結合或被完全替代。以下是一些可能的解決方案和未來趨勢：

1. 三維集成電路技術：通過堆疊多個二維芯片層來形成三維結構，從而提高集成電路的密度和性能。

2. 新型半導體材料：探索如碳納米管、二維材料(如石墨烯、二硫化鉬等)等新型半導體材料，以替代或補充硅材料。

3. 量子計算技術：利用量子效應來構建全新的計算體系，從而突破傳統硅集成電路的物理極限。

4. 生物芯片技術：利用生物分子來構建芯片，實現生物與電子技術的融合。

綜上所述，硅作為半導體材料在集成電路應用中的挑戰主要來自物理極限、材料和技術方面的限制。為了應對這些挑戰，需要不斷探索新的技術和材料，以推動集成電路產業的持續發展。

硅材料對CPU性能的影響

在工藝層面，我們期望CPU具備以下特性：

速度更快：通過優化設計和提高集成度，實現更高的運算速度。

尺寸更小：縮小芯片尺寸以降低功耗和成本，同時提高集成密度。

閾值電壓更低：降低閾值電壓以減少功耗并提高性能。

飽和電流增大：增加飽和電流以提高輸出能力和響應速度。

漏電流降低：減少漏電流以降低功耗和保持穩定性。

寄生電容下降：降低寄生電容以減少信號延遲和功耗。

為了實現上述目標，我們需要對硅材料進行改進，但面臨以下挑戰：

遷移率限制：硅材料的遷移率受到材料特性和摻雜水平的限制，達到理論極限后需采用輔助工藝如應力工程來提高。

介電材料限制：隨著尺寸減小，SiO2作為絕緣材料的厚度已達到極限，短溝道效應明顯，需更換高介電常數材料。

物理極限：硅材料的尺寸存在物理極限，1nm為理論研究極限，1~4nm為物理極限，4nm為制造極限。

面對硅材料的挑戰，研究者們正在探索替代材料，以延續摩爾定律：

高介電常數材料：如氧化鉿或氧化鋁，已在28nm工藝中廣泛應用。

應變硅技術：通過引入應變來提高硅材料的遷移率。

鍺或硅鍺材料：作為PMOS的溝道材料，有望在7nm以下工藝中實現。

三五族元素：作為NMOS的溝道材料，同樣有望在7nm以下工藝中替代硅。

隨著關鍵尺寸向物理極限的逼近，硅材料在CPU制造中的局限性日益凸顯。研究者們正在積極探索替代材料和技術，以延續摩爾定律并推動半導體產業的進一步發展。在這個半導體產業的岔路口上，睿智的選擇將帶來新一輪的技術革命。

硅材料的技術革新

硅技術與非硅技術的集成

隨著硅材料在CPU制造中的局限性日益凸顯，許多公司和研究單位開始致力于硅技術與非硅技術的集成，以延長摩爾定律。例如，將II-V族工藝技術與硅技術結合，實現硅基光電集成，被視為一個可能的解決方案。IBM公司在這一領域取得了顯著進展，展示了將三五族銦鎵砷化合物放到絕緣上覆硅晶圓上的技術，并聲稱采用標準塊狀硅晶圓制造硅上砷化銦鎵具有可行性。此外，國際微電子中心與Riber分子束外延設備公司合作，準備建造用于在鍺襯底上生長III-V族化合物半導體材料的串接式分子束外延設備。Intel公司也成功研制出混合硅激光器，這種激光器由熔合在硅片上的InP基材料作為光源和光放大介質，硅材料作為波導構成。

后硅材料時代的研究進展

在后硅材料時代，研究者們正在積極探索各種新材料以替代硅。新加坡國立大學提出了一種在硅基底上大面積生長石墨烯的較好方法，該方法利用石墨烯在金屬銅表面生長的特點，通過一系列工藝步驟最終在硅片上得到大面積石墨烯。

圖2 一種在硅基底上大面積生長石墨烯的方法

(a)8in PMMA/石墨烯/銅/二氧化硅/硅晶圓;(b)浸入銅溶解液中30min后;(c)50min后銅被完全剝離;(d)浸入去離子水中清水;(e)去離子水中取出，石墨烯完全附著在硅片上;(f)烘焙完全去除水分，獲得大面積石墨烯薄膜

這些研究進展使人們看到了后硅材料時代的曙光，預示著未來芯片制造將采用更多種類的非硅材料。

后段互連材料面臨的挑戰

隨著技術進一步發展，尤其是進入14nm以下工藝，后段互連材料面臨新的挑戰。銅已經取代了鋁及鋁銅合金作為互連材料，因為其具有更低的電阻率、更高的電流密度和更大的熱傳導系數。然而，隨著工藝尺寸的不斷縮小，對互連材料的要求也越來越高。同時，超低絕緣常數材料也在不斷被開發以適應不同工藝的需要。利用空氣填充金屬間的空隙也有望被引入實際工藝中。

新材料帶來的蝕刻技術挑戰

事實上，早在芯片制造發展之初，就已經有大量替換硅溝道材料的研究。例如三五族材料、拓撲半導體、石墨烯、納米管線、黑磷、量子點等。這些新材料在芯片制造中的應用給蝕刻技術帶來了新的挑戰。

圖3 未來集成電路后段互連猜想簡圖

由于這些材料的物理和化學性質與硅不同，因此需要開發新的蝕刻工藝和蝕刻劑以適應這些材料的需求。這些挑戰需要研究者們不斷探索和創新，以推動半導體產業的進一步發展。

綜上，硅技術與非硅技術的集成、后硅材料時代的研究進展以及后段互連材料面臨的挑戰都是當前半導體產業研究的重要方向。研究者們正在積極探索各種新材料和新技術，以應對這些挑戰并推動半導體產業的持續發展。