跨越极限：新概念与技术改进解锁摩尔定律瓶颈

不谋全局者，不足谋一域。集成电路的发展需要国家战略协同。在聚合、叠加、倍增效应作用下，集成电路的发展日新月异，应用变动弗居。对于大多数应用领域来说，转型升级是发展的唯一出路，而集成电路的开发则是转型升级的强大动力。新市场的发展、新技术的开发，需要最大限度凝聚信心、智慧和力量，而这首先又源自对于技术和市场融合态势的准确认知。

2018年，台积电在硅谷的年度技术研讨会上宣布其7纳米节点进入量产，采用极紫外光刻的制造将于2019年初量产，并就新封装技术进行了说明。根据台积电在研讨会上的发布，2018年上半年就投片了50多个设计案，包括CPU、GPU、人工智能加速器芯片、加密货币采矿专用集成电路芯片、网络芯片、游戏芯片、5G芯片以及车用集成电路。与16纳米的工艺相较，7纳米节点能提升35%的速度或节省功耗65%，闸极密度提升3倍。将采用极紫外光刻微影的N7+节点，能将闸极密度进一步提升20%、功耗再降10%。

“即使是在整个行业不断努力研发突破的前提下，我们也还是会在21世纪20年代初期达到2～3纳米的芯片工艺极限。”这是原国际半导体技术发展路线图组织主席保罗·加尔吉尼（Paolo Gargini）的判断。然而，在逼近摩尔定律的极限时，各种新兴的概念已经产生，这些新概念或设想大体上有三类：第一类是材料和光源、波段等要素的改进，例如利用锗替代硅，或者利用纳米线、碳纳米管以及石墨烯等碳基材料来替代硅基。第二类是结构上的改进，其中以从二维向三维结构的演进为代表，同时“纳米级真空通道晶体管”的概念也已提出。第三类是工艺上的优化，其中随着封装技术的演进，集成系统级芯片（实现两颗裸晶间的10纳米以下互联）的概念也已推出，系统级芯片和系统级封装或将有融合的空间。

从要素的角度看，除了材料本身（例如将芯片中的铜替换成钴）和光刻机所使用的激光光源等变化外，人们也开始进一步关注集成硅光子。以往，专业晶圆厂通常基于磷化铟制造光子器件，采用3英寸或最多4英寸晶圆，其工艺也与硅基器件有所不同。光子的波长比电子的大，因而电子产品向7纳米节点进军时，标准硅光子器件处在130纳米或180纳米节点。光学器件对相位比较敏感，侧壁粗糙度和损耗也很重要，因而决定光学器件的核心是光刻和蚀刻的质量。此外，CMOS工艺能否适用、纯锗的生长（锗作为探测器）、集成方法的优化、利用等离子体激活的直接连接的集体芯片转移工艺，以及光子设计等，都需要进一步的优化。(www.xing528.com)

从晶体管的结构设计来看，早期电子设备的发展源于真空管，后来为晶体管所取代。当晶体管尺寸逼近物理极限时，人们再次将目光投向了真空管―将真空管和晶体管“合二为一”成为纳米级真空通道晶体管。真空通道晶体管或将比普通硅晶体管快10倍，且更耐高温和辐射，成为耐辐射深空通信、高频器件和太赫兹电子等应用中理想的晶体管。在真空通道晶体管中，电子穿过填充有惰性气体的“准真空”间隙行进，以非常高的速度移动，或可快速进行操作，远超任何固态设备的范围。在美国国家航空航天局（NASA）的艾姆斯研究中心，真空通道晶体管的开发已成为其着眼点。未来，介于无线电波和光波之间的太赫兹波段（波长范围为0.03～3毫米，电磁频谱上频率为0.1～10 THz），因其穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等特点，或可广泛应用于国防、通信、医疗等领域。然而，要应用较毫米波的波长更短、频率和分辨率更高的太赫兹技术，面临着芯片制造难题：其频率或是当前硅晶体管能够达到的最高频率的数倍至10倍，而真空通道晶体管的开发或可解决这些难题。

从芯片架构的设计来看，随着人工智能加速发展，业界又开始重新审视以往开发的存储器式运算架构。存储器式运算或比图像处理器（GPU）有更高的运算速度，由此实现存储处理器（processor in memory，PIM）的开发。人工智能的热潮，随着相变存储器、电阻式存储器和自旋磁存储器等新兴存储器开发，或将带来全新的数据存储方式。此外，以三维的方式进行构建架构，即把之前在硅片表面进行的平面刻蚀技术转变成多层刻蚀技术，再把这些刻蚀出的薄层硅进行堆叠，也已成为热点。半导体研究公司物理学家托马斯·泰斯（Thomas Theis）指出，“一旦人们从技术上的思维定势中走出来，就会发现其实还有巨大的研究空间有待发掘。”

从工艺优化的角度来看，原子层沉积和原子层刻蚀等技术的综合运用，或将带来新的解决方案，实现原子尺寸上的无差别掌控。目前，原子层沉积工艺已被广泛应用，反应物泵入腔室铺满表面后，清除化学物质并重复泵入，由此硅分子均匀而致密地吸附在金属物表面，并在有氧环境中生成二氧化硅，最终非常均匀地在所有图形表面致密地淀积二氧化硅薄膜。在原子层刻蚀工艺中，硅表面均匀吸附氯元素后，接触等离子体以激活氯，从而在原子尺寸尺度下有序刻蚀。在该工艺中，离子能量需要精准控制，以免能量太大溅射掉硅原子，或是能量太小无法有效传递。