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1nm不是终点!芯片正在酝酿下一场革命

亚1nm芯片推进依赖High-NAEUV光刻、GAA晶体管架构及二维材料等多技术协同。未来芯片竞争从单纯制程转向系统级创新,包括三维堆叠与先进封装,摩尔定律进入材料、架构和系统共同驱动的新阶段。

关于芯片微缩这件事,过去几十年一直是半导体产业的核心旋律。从90nm一路走到3nm、2nm,摩尔定律就像一条铁律,推动着晶体管尺寸不断压缩,性能和功耗也跟着不断优化。但到了今天,当晶体管的尺寸逼近原子的尺度,传统的硅基工艺开始撞上物理瓶颈——怎么继续往下推,成了整个行业不得不面对的问题。

最近,亚1nm芯片这个概念开始从图纸走向现实。IBM秀出了0.7nm节点的技术方案,靠的是“Nanostack”三维堆叠架构,通过垂直方向叠加晶体管来提升密度,算是给埃米级芯片的演进开了个头。另一边,imec已经画出了一条清晰的路线图,从1nm以下一路延伸到A2节点。

imec的CEO吕克·范登霍夫说得挺直白:摩尔定律不会终结,但接下来要靠多条腿走路——新型晶体管结构、新材料、先进光刻,缺一不可。

这其实意味着,未来芯片的竞争,已经不是单纯比谁家晶体管更小,而是光刻设备、材料、器件设计和封装能力的一场全方位的系统战。



EUV继续进化:支撑亚1nm制造的关键基础

芯片每一次微缩,背后都离不开光刻技术的突破。目前,极紫外(EUV)光刻已经是先进逻辑芯片制造的标配,利用13.5nm波长的光源,通过反射式光学系统把电路图案投射到晶圆上。

但随着工艺节点继续往前走,传统EUV逐渐摸到了能力天花板,产业开始转向高数值孔径(High-NA)EUV技术。High-NA EUV通过提高数值孔径来提升分辨率,被认为是搞定2nm以下节点的关键。ASML和imec已经联手搭建了High-NA EUV的实验平台,用于验证下一代光刻技术。

2026年,High-NA EUV设备的部署也在加速。比如ASML下一代High-NA EUV的组件,已经运到了纽约州Albany NanoTech Complex,用于未来芯片的研发。

但High-NA EUV最大的痛点还是成本。一台EUV设备现在动辄数亿欧元,结构极其复杂,所以怎么降低制造成本,也是行业关注的重点。

日本冲绳科学技术大学院大学的教授新竹积,提出了一种重新设计High-NA EUV照明和投影系统的思路。通过优化反射镜结构来减少光学缺陷,理论上能降低设备复杂度,用更低的成本实现2-3nm尺度的精细图形制造。

与此同时,美国得州大学奥斯汀分校的团队也在探索另一条路。他们开发了一款桌面式EUV光刻设备,结合“体积式3D图案化”技术,尝试用一次曝光直接制造三维纳米结构。相比传统EUV那种逐层二维曝光的方式,这项技术能制造特征尺寸25nm的三维结构,而且把曝光时间从几天缩短到几分钟。虽然目前还只适用于周期性结构,但方向很明确——为未来半导体制造降本增效提供了另一种可能性。

晶体管架构升级:从FinFET迈向原子级器件

光刻设备在变,晶体管本身的结构也在变。

过去几十年,鳍式场效应晶体管(FinFET)一直是先进制程的支柱,从10nm节点开始成为主流,一直用到3nm。但随着晶体管继续缩小,FinFET开始面临漏电增加、性能提升受限等问题。行业的答案开始转向全环绕栅极(GAA)架构。

按照imec的路线图,从2nm节点开始,由纳米片堆叠形成的GAA架构将成为重要方向。相比FinFET,GAA通过栅极包围沟道,能实现更强的电流控制能力,为晶体管微缩提供了新的空间。

在GAA的基础上,imec又提出了“叉片”(Forksheet)架构。这个结构通过引入阻隔材料,让N型和P型晶体管排列得更紧密,提高标准单元密度,算是延续GAA微缩的重要方案之一。

再往后看,晶体管还可能进一步向原子沟道器件演进。imec认为,用钨、钼这类新材料,可以推动晶体管进入更小的尺度,支撑A10、A4甚至A2节点的发展。

二维材料崛起:寻找硅基晶体管之后的新答案

当传统硅基晶体管逐渐逼近物理极限,二维材料被踢到了聚光灯下。

二维过渡金属二硫属化物(TMD),比如二硫化钼(MoS₂)、二硒化钨(WSe₂)、硫化钨(WS₂)这些,因为具备原子级厚度,能在更小尺寸下保持较好的静电控制能力,有望造出更小、性能更高的晶体管。

这几年,二维材料正在从实验室走向产业验证。ASML、台积电和imec已经在300mm晶圆上展示了基于二维材料的晶体管,并用了EUV光刻进行图案化。相关研究显示,基于二维材料的nFET和pFET晶体管,接触栅极间距(CPP)达到了50nm,这被认为是二维材料从实验室走向晶圆制造的关键一步。

ASML欧洲技术开发中心主任艾蒂安·德·普尔特雷提到,过去300mm晶圆上的二维材料器件尺寸偏大,用的是较老的光刻技术。而借助EUV更高的分辨率,他们现在已经能制造沟道长度28nm的TMD晶体管,尺寸上已经能和先进晶体管节点兼容。

台积电方面也认为,这类研究对推动新型沟道材料从实验室向晶圆厂转移很有意义。台积电首席技术官曹敏表示,与产业伙伴合作的重点在于降低风险,加速“实验室到晶圆厂”(lab-to-fab)的转换,让新型沟道材料更快应用于先进制造。

晶体管还能缩小到什么程度?量子效应成为关键变量

当芯片进入纳米以下尺度,传统制造方法已经很难回答“晶体管到底还能缩小多少”这个问题。

韩国科学技术院(KAIST)的研究团队试图通过计算模拟来寻找晶体管微缩的极限。研究人员指出,随着晶体管尺寸不断下降,量子隧穿效应会越来越明显——电子可能穿透原本应该阻挡它们的区域,导致电流控制能力下降。所以,确定量子效应允许的最小尺寸,成了下一代芯片设计的重要问题。

KAIST团队利用基于第一性原理的计算方法,模拟电子在金属电极和半导体沟道界面的运动,预测未来晶体管的性能极限。他们以单层MoS₂器件为研究对象,发现晶体管的最小尺寸取决于金属材料和接触结构。在部分候选结构中,电子停止泄漏的临界长度可以缩短到4nm以下,这说明未来晶体管仍然有进一步缩小的空间。

这一研究意味着,未来芯片设计可能越来越依赖计算模拟,在真正制造芯片之前,就能提前预测材料和器件结构的性能极限。

二维材料产业化挑战:界面问题仍需解决

虽然二维材料被寄予厚望,但产业化道路并不平坦。

维也纳工业大学(TU Wien)的研究指出,过去很多研究主要关注二维材料本身的优异性能,却忽略了它和其他材料结合后的界面问题。在实际晶体管中,二维半导体不能单独工作,还需要与绝缘层结合来调节电场。但研究发现,二维材料与绝缘层之间主要依靠范德华力结合,两者之间可能存在极薄的间隙。

这个间隙虽然只有0.14nm左右,但会削弱层间电容耦合,影响器件性能,成为进一步微缩的障碍。所以,未来二维材料的发展方向,不仅仅是找更好的半导体材料,还得同步设计匹配的绝缘材料。

研究人员提出了“拉链材料”(zipper materials)的概念,通过让半导体层和绝缘层形成更强结合,减少界面间隙。比如二维Bi₂SeO₂半导体与自身氧化物绝缘层结合,或者MoS₂与高k介电材料氧化铪(HfO₂)直接结合,都属于这个方向。

未来芯片竞争:从制程竞争转向系统级创新

从FinFET到GAA,从EUV到二维材料,半导体产业正在进入一个新的技术周期。单纯靠缩小晶体管尺寸已经越来越难走,芯片性能的提升将更多依赖系统级创新。

imec认为,未来的SoC会进一步结合三维堆叠、Chiplet和先进封装技术,通过不同工艺节点的芯粒组合,实现更高的性能和更低的功耗。比如通过硅通孔(TSV)、微凸点等技术,把SRAM等存储单元直接堆叠在逻辑核心上方,提高数据传输效率。

这意味着,未来芯片竞争不再是“谁的制程更先进”,而是设备、材料、设计、制造和封装能力的综合较量。

从产业趋势来看,亚1nm时代不会由某一项技术单独开启。High-NA EUV将继续扮演先进制造基础设施的角色;GAA、叉片和原子级沟道器件会推动晶体管架构演进;二维材料则可能成为突破硅基极限的重要候选方案。

但话说回来,材料稳定性、制造成本、良率控制以及产业生态的成熟度,同样会决定这些技术能否真正走向量产。未来十年,半导体产业或许将进入摩尔定律的新阶段——从过去几十年的“晶体管数量增长”,转向材料、架构和系统创新共同驱动的时代。

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