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为什么IBM推出7nm工艺芯片要使用锗硅材料?

程顺波 | 2017/7/24 14:38:21

IBM推出7nm工艺锗硅芯片,锗硅的优势在哪里?


  • 高轩邈  |   2017/7/24 14:42:27

    前几天机缘巧合看到了这个问题,发现正好跟我之前硕士开题的方向有点联系,我看到很多人都回答了Ge作为芯片材料的诸多优势,都说的很有道理,我是研究Si这种材料的,对于Ge的性能并不是很了解。但是我想从应变硅这一概念,给这个问题提供一个新的思路。

    首先还是要提摩尔定律,之前几个答主都介绍的很清楚了,我就不再赘述。去年是摩尔定律提出40周年,在这40年里摩尔定律都准确预测了芯片行业的发展(看下图)。inter公司宣布其10nm工艺平台canonlake将推迟一年,到2017年下半年才能实现量产(可能不是最新消息)。这说明24个月翻一倍的周期已经减缓了。

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    然后说一下SiGe工艺的概念:SiGe工艺(应变硅),是在制造电路结构中的双极晶体管时,在硅基区材料中加入一定含量的Ge形成应变硅异质结构晶体管,以改善双极晶体管特性的一种硅基工艺集成技术。
    它的优点:具有高性能、高集成度、高成本-效益比等特点。与同尺寸普通MOSFET相比,功耗减少1/3,速度提高30%,特征频率提高50%,功耗延迟仅为后者的1/6。
    最后也是最重要的,解释一下这其中的原理:

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    这两幅图经常被用来解释应变硅的基本原理,其实很简单,Ge的原子半径是要大于硅的,并且Ge的晶格常数也比Si单晶的晶格常数要大(上图),这样将两种物质结合在一起(不管是ALD还是其他方法),

    这两幅图经常被用来解释应变硅的基本原理,其实很简单,Ge的原子半径是要大于硅的,并且Ge的晶格常数也比Si单晶的晶格常数要大(上图),这样将两种物质结合在一起(不管是ALD还是其他方法),Si原子之间的键长就会被拉伸,有一种最浅显的说法因为原子间间距增大,对电子移动的阻碍就减小了,所以速度,功耗和特征频率等性能会有较大的提升。英特尔ProcessArchitecture Integration经理Mark Bohr曾经非常形象地描述:“只需将硅原子拉长1% 就可以将MOS晶体管电流速度提高10%~20%,而应变硅 的生产成本只增加2%”。

    其实应变硅的具体原理现在还有所争议,没有一个统一的共识。大家主要从应变调控硅的能带结构,载流子迁移率,电子和空穴的有效质量,以及表面态改变等各个方面入手来解释。我个人认为很有可能是一个综合的结果,这也是我最近的一个研究方向。


  • 雪兔纸  |   2017/7/24 22:26:15

    我是做through silicon via(TSV)方面的,对基体材料了解不深,抛砖引玉的说说查到的资料吧。

    首先回答为什么IBM要用锗硅材料。那是因为IBM是锗硅材料的行业领头人,他们对这个材料的性能,工艺等是最了解也是研发能力最强的。既然是要制造打破现在尺寸极限的新型芯片,当然是要用自己拿手的材料。这个材料并不是新发现的,但是IBM多年技术积累把这个芯片做出来了,这是很了不起的。IBM - 硅锗芯片

    其次回答这个材料的优势。

    锗是比硅贵的,所以它的优势应该是在硅芯片力所不能及的领域,才使人们愿意花大价钱去制造。下面详细说。

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    上图是锗和硅的能带图,可以看出锗的带隙比硅小。锗硅材料可以通过调节锗的组分和引入表面起伏,使响应波长工作在1.3μm和1.55μm之间。而常规光通信波段为1.3μm-1.6μm。所以这个特性使锗硅材料在光通信器件方面有很大优势。

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    上图是锗和硅的迁移率比较,锗的迁移率远大于硅,具有很好的高频性能。锗硅材料在一些射频领域就有很大的优势。上图是锗和硅的迁移率比较,锗的迁移率远大于硅,具有很好的高频性能。锗硅材料在一些射频领域就有很大的优势。锗硅低维量子结构制备研究。应用范围如下图

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    除了性能的优点,如另外的答主回答的,锗硅材料制造工艺和硅材料制造工艺是比较兼容的,实用性很高。芯片制造中,设备成本是很高的(随手搜到三星最新的芯片厂造价144亿美元三星新芯片厂2017年投产 造价144亿美元),工艺融洽的材料更受青睐。

    另外,搜这个新闻的时候,看到英特尔表示自己的7nm芯片也在研发中,而且不用IBM采用的极紫外线光刻(EUV),拭目以待。展示了7nm芯片的IBM,真的领先英特尔了吗?



  • 高扬宇  |   2017/7/25 10:18:10

    很多东西已经忘的差不多了,如果答案有问题的话,欢迎指正。

    其实应用锗(Ge)作为替代硅作为集成电路的半导体材料早就不是新鲜事儿了,其理论基础为锗的载流子迁移率要高于硅(Si)的,这件事情可以理解为理论上应用Ge能够制造时钟频率更高,即更快的集成电路。

    但是一直以来问题都出在工艺上,举两个简单的例子,一是Ge的熔点为900度左右,部分高温工艺是没法做的;二是在集成电路工艺中需要反复的用到制备绝缘层这一工艺,Si的氧化物SiO2是绝佳的绝缘体,而且直接在Si表面进行热氧化就可以制备出来,工艺极其简单,至于Ge的。。。。好像挺麻烦的。。。。至于其它的外延生长啊金属积淀啊什么的好像锗的工艺都很复杂。

    因此想要利用上Ge的优势也是微电子领域的一大课题(嗯,就是非硅基半导体电路制备工艺,Ge只是其中的一个分支),其中有一种就是在硅基上外延生长出Ge的方式。估计IBM使用的锗硅材料就是类似于这种东西。

    题外话,最近IBM在微电子上的黑科技着实不少。。。。前几天刚看到发布了石墨烯的集成电路,今天又搞个7nm的锗硅材料工艺,这你妹是分分钟干掉intel的节奏啊。