1nm晶体管只是噱头，7nm工艺这道坎都跨不过去-基础器件-与非网
硅工艺自问世以来，一直遵循摩尔定律迅速发展。但摩尔定律毕竟不是真正的物理定律，而更多是对现象的一种推测或解释，我们也不可能期望工艺可以永远跟随着摩尔定律所说发展下去。从现在来看，10nm工艺是能够实现的，7nm也有了一定的技术支撑，而5nm则是现有半导体工艺的物理极限。
所以，为了尽可能地延续摩尔定律，科研人员也在想尽办法，比如寻求硅的替代材料，以继续提高芯片的集成度和性能。
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不多了。有限的这几家都在努力中：Intel、台积电、三星和GlobalFoundries。
7nm工艺是极限了吗？
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。
在长达40多年的时间里，摩尔定律始终是IT界的铁律。然而进入21世纪以来，摩尔定律似乎出现了&放缓&的迹象。
随着芯片技术的进一步发展，摩尔定律逐渐遇到物理法则的限制。业界普遍认为，7纳米是硅晶体管的一道坎，一旦过了这个节点，就会遇到问题。因为一旦硅晶体管的栅极小于7纳米，电子就可以在不同的晶体管之间流动，这种现象被称为量子穿隧效应（Quantum Tunneling），它意味着晶体管可能会在原本应该是关闭的状态下意外打开。
但即使是7纳米以上的晶体管，也依然面临从理论向实际跨越的难题。
7纳米制程节点将是半导体厂推进摩尔定律（Moore&s Law）的下一重要关卡。半导体进入7纳米节点后，前段与后段制程皆将面临更严峻的挑战，半导体厂已加紧研发新的元件设计架构，以及金属导线等材料，期兼顾尺寸、功耗及运算效能表现。
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。
缩短晶体管栅极的长度可以使CPU集成更多的晶体管或者有效减少晶体管的面积和功耗，并削减CPU的硅片成本。正是因此，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。
石墨烯被视为是一种梦幻材料，它具有很强的导电性、可弯折、强度高，这些特性可以被应用于各个领域中，甚至具有改变未来世界的潜力，也有不少人把它当成是取代硅，成为未来的半导体材料。但是真正把它应用于半导体领域，还需要克服不少的困难。
首先，通过前面我们可以知道，逻辑电路有&0&和&1&，也就是开和关两种状态，而这就需要有&能隙&&&电子携带电流之前必须跃过的能量跨栏。但是因为石墨烯本身的导电性能太好，它没有能隙，也就是只能开，而不能关，这样是不能实现逻辑电路的。如果要利用石墨烯来制造半导体器件，那么我们还需要通过其他手段，在不破坏石墨烯本身特有的属性下，在石墨烯上面植入一个能隙。目前已经有不少针对这方面的研究，但要真正解决这个问题还需要相当长的时间。
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北京市公安局备案编号： 京ICP备：号本文经授权转载，其他媒体转载请经超能网同意。Intel、TSMC及三星三大半导体工厂今年将量产10nm工艺，他们中进度快的甚至准备在明年上马7nm工艺，2020年前后则要推出5nm工艺。但是随着制程工艺的升级，半导体工艺也越来越逼近极限了，制造难度越来越大。5nm之后的工艺到现在为止都没有明确的结论，材料、工艺都需要更新。在这一点上，美国又走在了前列，美国布鲁克海文国家实验室的科研人员日前宣布实现了1nm工艺制造。来自EETimes的报道称，美国能源部（DOE）下属的布鲁克海文国家实验室的科研人员日前宣布创造了新的世界记录，他们成功制造了尺寸只有1nm的印刷设备，使用还是电子束印刷工艺而非传统的光刻印刷技术。这个实验室的科研人员创造性地使用了电子显微镜造出了比普通EBL（电子束印刷）工艺所能做出的更小的尺寸，电子敏感性材料在聚焦电子束的作用下尺寸大大缩小，达到了可以操纵单个原子的地步。他们造出的这个工具可以极大地改变材料的性能，从导电变成光传输以及在这两种状态下交互。他们的这项成就是在能源部下属的功能纳米材料中心完成的，1nm印刷使用的是STEM（扫描投射电子显微镜），被隔开11nm，这样一来每平方毫米就能实现1万亿个特征点（features）的密度。通过偏差修正STEM在5nm半栅极在氢氧硅酸盐类抗蚀剂下实现了2nm分辨率。：这些技术听上去激动人心，不过实验室研发的技术并不代表能很快商业化，布鲁克海文实验室的1nm工艺跟目前的光刻工艺有很多不同，比如使用的是电子束而非激光光刻，所用的材料也不是硅基半导体而是PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）之类的，下一步他们打算在硅基材料上进行尝试。事实上这也不是科学家第一次实现1nm级别的工艺，去年美国能源部下属的另一个国家实验室——劳伦斯伯克利国家实验室也宣布过1nm工艺，他们使用的是纳米碳管和二硫化钼等新材料。同样地，这项技术也不会很快投入量产，因为碳纳米管晶体管跟这里的PMMA、电子束光刻一样跟目前的半导体工艺有明显区别，要让厂商们一下子全部淘汰现有设备，这简直是不可能的。美国半导体技术实力雄厚，中国在此领域落后很多，指望国内的商业公司去研发这些新技术是不可能了，大家对此有什么好的建议和看法吗？&三星7nm处理器加速研发：已经到了半导体工艺极限？三星7nm处理器加速研发：已经到了半导体工艺极限？木蚂蚁潮流实验室百家号【木蚂蚁资讯】据韩国时报报道，三星半导体高管营销副总裁Sanghyun Lee透露：“我们的7nm EUV极紫外光刻技术会是完整的EUV技术。当我们在明年推出该技术的时候，我们将在生产良率和价格上超过他们。”他们是指Global Foundries和台积电。台积电大家比较熟悉，这里简单介绍一下GF，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或者说是送给了Global Foundries。目前能够支持最先进工艺制造的厂商已经只剩下Intel、台积电、三星和Global Foundries。其中GF的技术实力最弱，无论生产工艺还是产量都落后于其他三家。目前，三星正提供最先进的10nm芯片代工，包括两款已经上市的骁龙835和Exynos 8895。在公开资料的制程工艺进展中，GF和台积电的7nm进展最速，也有消息称高通把骁龙845的代工转交给了台积电生产。看着牙膏厂不断优化打磨的14nm,真的是哭笑不得。可以看到三星在19年首先实验8nm工艺，之后再生产7nm工艺，步伐还是挺稳健的。至于6nm、5nm工艺，目前还属于摸索阶段，可能要重新更换新的半导体材料来取代硅的地位。解释一下我们讲的14nm,10nm工艺，这里的长度指的是什么。为了方便理解，以下表述并不严谨。我们可以想象芯片其实就是一块圆形的土地，现在需要在土地上挖很多长条状的凹槽，14nm,7nm指的就是长条状凹槽的宽度。凹槽和凹槽之间也有间距，一般是固定的距离，比如70nm。这块圆形的土地面积是一定的，凹槽和凹槽之间的间距也是固定的，现在要使得长条状的凹槽数量增加，只能缩短凹槽的宽度。宽度越窄的凹槽，耗电量越少，发热更低，同时在面积一定的土地上，凹槽的数量也会越多，芯片的处理性能也就越强。为什么说7nm是目前工艺的极限呢？简单来说，主要原因是随着晶体管尺寸的缩小，刚才讲的凹槽的宽度不断减小，在一定尺寸范围内，量子的隧穿效应开始起作用，也就是电子会有几率从“墙壁”的一侧突然出现在“墙壁”另一侧，意味着不加电压，源级和漏级是互通的，晶体管失去了开关作用，其实跟漏电差不多。在7nm这样小的尺寸下，受“量子力学”的影响越来越大。可是这样真的已经没办法解决了吗？人之所以为人，之所以是万物之灵的原因也在于此，我们对于一个问题，总会有多种解决办法。其实在10年前，人们开始觉得65nm已经是极限了，可是人们用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。解决了二氧化硅绝缘层漏电问题。在22nm也遇到漏电问题，所以又搞出了finfet和FD-SOI来解决。如今到了7nm节点即使是finfet也不足以在保证性能的同时抑制漏电，所以我们用砷化铟镓取代了单晶硅沟道来提高器件性能。每当我们遇到当时不可解决的难题时，其实是因为受于当时的材料、设备等限制，如果可以有新的材料，更加精密的设备等等外部条件，我们可以永久的更新下去。而到了5nm才是现在半导体工艺的物理极限，为了继续提高芯片的集成度和性能，科学家目前正在考虑换一种新的材料来取代硅。这种新材料很有可能是III-V族氧化物半导体，这种材料可以有更大的能隙和更高的电子迁移率，可以在更高的频率下承受更高的温度，目前还在研发阶段并且取得了初步性进展。以上部分内容摘自知乎：为什么原来说7nm是半导体工艺的极限，但现在又被突破了？（https://www.zhihu.com/question/）作者：acalephs、IMI YIN、李优。收藏不如关注一下，关注木蚂蚁潮流实验室（ID： mumayi999），与你探索数码科技新鲜事儿本文仅代表作者观点，不代表百度立场。系作者授权百家号发表，未经许可不得转载。木蚂蚁潮流实验室百家号最近更新：简介:与你探索数码科技新鲜事儿作者最新文章相关文章【图片】01.16｜5nm就到极限了吗？谈芯片工艺发展路向【攀升兄弟吧】_百度贴吧
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在上周举行的ISSCC（国际固态电路会议）上，Intel公布了其最新的半导体工艺进展，除了下一代10nm已经处于研发阶段中，也谈到了更加往后的半导体工艺计划。Intel表示摩尔定律即使到达7nm这个节点，仍然会继续有效，但是为了追上摩尔定律的脚步，7nm之后Intel很可能将会放弃传统的硅芯片工艺，而引入新的材料作为替代品。现在看来，10nm有可能将会成为硅芯片工艺的最后一站。事实上，随着硅芯片极限的逐渐逼近，这几年人们也越来越担心摩尔定律是否会最终失效，因为一旦半导体行业停滞不前，对于IT业界来说同样会产生极大的影响。本文就跟大家来谈一下目前半导体工艺的进展情况，以及一旦硅芯片工艺走到尽头，又有什么新的技术方向能够维系半导体工艺的持续发展。
让我们先来大致了解一下芯片是如何工作的。
Source：源极
Gate：栅极
Drain：漏极　　一个芯片上整合了数以百万计的晶体管，而晶体管实际上就是一个开关，晶体管能通过影响相互的状态来处理信息。晶体管的栅极控制着电流能否由源极流向漏极。电子流过晶体管在逻辑上为“1”，不流过晶体管为“0”，“1”、“0”分别代表开、关两种状态。在目前的芯片中，连接晶体管源极和漏极的是硅元素。硅之所以被称作半导体，是因为它可以是导体，也可以是绝缘体。晶体管栅极上的电压控制着电流能否通过晶体管。
现有半导体工艺还能走多远？　　而为了跟上摩尔定律的节奏，工程师必须不断缩小晶体管的尺寸。但是随着晶体管尺寸的缩小，源极和栅极间的沟道也在不断缩短，当沟道缩短到一定程度的时候，量子隧穿效应就会变得极为容易，换言之，就算是没有加电压，源极和漏极都可以认为是互通的，那么晶体管就失去了本身开关的作用，因此也没法实现逻辑电路。从现在来看，10nm工艺是能够实现的，7nm也有了一定的技术支撑，而5nm则是现有半导体工艺的物理极限。
而为了跟上摩尔定律的节奏，工程师必须不断缩小晶体管的尺寸。但是随着晶体管尺寸的缩小，源极和栅极间的沟道也在不断缩短，当沟道缩短到一定程度的时候，量子隧穿效应就会变得极为容易，换言之，就算是没有加电压，源极和漏极都可以认为是互通的，那么晶体管就失去了本身开关的作用，因此也没法实现逻辑电路。从现在来看，10nm工艺是能够实现的，7nm也有了一定的技术支撑，而5nm则是现有半导体工艺的物理极限。　　硅芯片工艺自问世以来，一直遵循摩尔定律迅速发展。但摩尔定律毕竟不是真正的物理定律，而更多是对现象的一种推测或解释，我们也不可能期望半导体工艺可以永远跟随着摩尔定律所说发展下去。但是为了尽可能地延续摩尔定律，科研人员也在想尽办法，比如寻求硅的替代材料，以继续提高芯片的集成度和性能。接下来我们来谈一下几种未来有可能取代硅，成为新的半导体材料方案。
III-V族化合物半导体III-V族化合物成为FinFET上的鳍片　　前文提到Intel可能将会在7nm节点放弃传统的硅芯片工艺，并在未来的几年中启用全新的半导体材料来作为继任者，目前看来，这种新材料很可能会是III-V族化合物半导体。该半导体材料是以III-V化合物取代FinFET上的硅鳍片，与硅相比，由于III-V化合物半导体拥有更大的能隙和更高的电子迁移率，因此新材料可以承受更高的工作温度和运行在更高的频率下。Intel在很早之前已经尝试III-V族化合物（磷化铟和砷化铟镓）与传统晶圆整合的化合物半导体。而在一年多前，IMEC（微电子研究中心，成员包括Intel、IBM、台积电、三星等半导体业界巨头）已经宣布成功在300mm 22nm晶圆上整合磷化铟和砷化铟镓，开发出FinFET化合物半导体。　　比起其他替代材料，III-V族化合物半导体没有明显的物理缺陷，而且跟目前的硅芯片工艺相似，很多现有的技术都可以应用到新材料上，因此也被视为在10nm之后继续取代硅的理想材料。目前需要解决的最大问题，恐怕就是如何提高晶圆产量并降低工艺成本了。
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5nm和7nm，哪个才是现有半导体工艺的物理极限
我有更好的答案
半导体技术，可以分成设计和工艺两大部分。作为学了7年的专业，我觉得中国就是个能吹牛的国家。。。 设计技术不想说，民用平均差距在20年。华为、海思什么虽然在通讯领域崛起，赶超思科，但是其他领域如PC等，不仅是IP的积累、经验积累，都大幅。
采纳率：82%
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