新材料或许能够解决半导体行业面临的挑战

新材料或许能够解决半导体行业面临的挑战。

摩尔定律并不是真正的自然定律或其他任何东西，但它已经很好地估计了半导体技术随着时间的推移提高系统性能的程度。直到最近，摩尔定律减速遇到了功率和频率限制。再加上最近的芯片短缺，充分利用可以制造的硬件很重要。

解决这些限制的一种方法是在半导体工艺中使用新材料。本文中记录了与Atomera 的Robert Mears 和 Jeff Lewis 讨论了他们的解决方案。

关于摩尔定律是否正在放缓，如果是，速度有多快，有很多争论。您有何看法？您如何看待这对半导体发展的影响？

摩尔定律今天有多种定义。在 Gordon Moore 1965 年的原著《将更多组件塞进集成电路》中，他解释说，在每一代中，都会有一个理想的集成点，每个“组件”的成本最低（图 1）。使用少于最小值的组件会增加成本，因为没有实现集成的全部好处，而使用更多的组件是次优的，因为降低产量会抵消集成的好处。

图1

摩尔的论文指出，每年可以实现 2 倍的复杂性增加。换句话说，理想的密度点每代都翻倍，而每个组件的成本减半。

因此，摩尔定律是一种经济模型。Gordon Moore 使用不到 10 年的行业数据以惊人的准确性预测了电子行业的未来 60 年。它也成为了行业的路线图，它定义了每个逻辑节点的密度将是其前身的两倍。

根据这个最初的定义，许多人将“摩尔定律”定义为包含功率、性能、面积和成本 (PPAC) 四个关键半导体指标。在这个扩展的定义中，功率被描述为每一代减半，而性能则翻倍。然而，这个时间框架已经从最初的一年延长到 18 个月，然后延长到两年。

然而，功耗和性能是“脱离”摩尔定律曲线的前两个指标。近 20 年前，晶体管功率的降低速度有所放缓——每个连续的节点通常都会降低泄漏电流，但不是每个节点降低 2 倍。晶体管性能提升不久后放缓；同样，每个节点通常更快，但不是 2 倍。

在最初的定义中，关于摩尔定律是否放缓可能存在一些争论。如果只看晶体管尺寸，那么摩尔定律当然正在放缓，因为每个晶体管的面积并没有每代缩小 2 倍。同时，节点命名约定如“180 nm”用于指代晶体管栅极长度；它现在与任何晶体管尺寸都没有关系，并且最小栅极长度比相应的节点名称大得多。

但是，如果将“面积”视为以晶体管/mm 2衡量的芯片面积或密度，那么该度量标准可能仍然是摩尔定律的“最真实”。领先的制造商继续实现与摩尔定律相距不远的密度改进。

例如，在逻辑方面，预计台积电的 3 纳米 N3 工艺将比其 5 纳米 N5 工艺提供接近摩尔定律 1.7 倍的芯片密度改进，并且周期为两年。整个半导体生态系统通过材料、器件架构和 EUV 等突破性工具的不断创新实现了这一目标。

然而，摩尔定律放缓甚至逆转的地方是每个组件的成本。密度翻倍曾经将每个晶体管的成本降低一半，这是电子革命的主要推动力。摩尔定律意味着我们将以相同的成本获得两倍数量的晶体管（速度更快，功耗更低）。

如图（图 2）所示，这在 40 纳米节点开始放缓，并在行业转向 FinFET 时几乎停止。新节点实现了“接近摩尔”的芯片尺寸扩展，但这几乎被爆炸式的晶圆制造成本所抵消。各种分析表明，制造晶圆的成本比 28 纳米节点增加了 3-5 倍，每个 5 纳米晶圆的成本接近 18000 美元。

图2

因此，很明显，我们过去看到的摩尔定律成本降低正在显著放缓。我们仍然可以通过在芯片上塞入近两倍的晶体管来增加每一代的功能，但这些“超级芯片”的成本将比它们的上一代更高，而不是更低。这将对半导体行业产生深远的影响：

用于从摩尔定律缩放中获得的电子产品成本和性能增益已经放缓。因此，芯片设计师更多地投资于产品设计和差异化，而不是盲目地追逐最新节点。

高级节点只对 CPU、FPGA 和移动处理器有吸引力；对于所有其他应用来说，设计成本变得过高。这种趋势已经持续了一段时间，但使用最先进节点的收益减少加速了这一趋势。

产品生命周期延长。以前，每一代产品都是可以达到的最好的，只是被随后的上一代产品所掩盖。今天的电子产品具有更长的使用寿命，因为较新的产品不会像以前那样提供相对改进。这可能导致半导体需求显著减少。但是，这将在一定程度上被汽车和工业设备等长寿命产品中不断增长的半导体产品市场所抵消。

总而言之，摩尔定律既会放缓，也不会放缓——这取决于你所关注的方面。很明显，正在放缓的领域将对行业产生重大影响。

你认为短缺向我们展示了什么？

这种短缺导致许多半导体行业人士和政府官员讨论通过建设新工厂来增加产能的必要性。与全球供应链中的许多其他技术不同，资本密集型和延迟相结合的代价是数十亿美元和数年的启动和运行。因此，芯片供应无法满足 JIT（即时订购）的剧烈波动，因此它对今天的不平衡几乎没有作用。

这也有可能导致严重的后遗症效应和周期性——产能繁荣在需求减弱之际上线，导致严重的产能过剩问题。产能问题不仅处于领先地位。事实上，一些最大的限制来自于传统的 200 毫米晶圆厂。

投资后置是有问题的，因为这些晶圆厂的晶圆定价模型通常基于完全折旧的资本设备。投资额外产能意味着在晶圆上增加资本折旧成本，使以具有竞争力的价格进行投资的晶圆厂对那些不投资因此不提高价格的晶圆厂处于劣势。

这是以小资本支出增加晶圆厂吞吐量的绝佳机会。例如 Atomera 的 Mears Silicon Technology(MST) 等新材料、重新设计的制造或计量流程以简化晶圆生产量，以及其他工程技术。

这是关于提高产量。我们需要通过在现有工艺节点内提供一套新的材料改进，使半导体工厂能够延长其昂贵制造设施的寿命的技术。

Atomera 的 MST 可以解决不平衡问题，而无需高昂的价格标签和建造新晶圆厂所需的时间。它结合了创新材料、结构和器件物理特性，从而实现了精确的半导体工程，尤其是当晶圆厂公司不愿投资于后缘节点技术以完善半导体工艺时。

主要的 More-than-Moore (MtM) 技术包括：

新封装技术（SiP等）

电源/HV/RF 技术

CIS 和其他传感器

新存储器（MRAM、ReRAM 等）

让我们考虑一下列表中的前两个。新封装可能是其中最重要的，因为它使小芯片和其他异构晶圆几乎可以组合在一起，就好像它们在同一个芯片上一样。这将对整个应用程序和技术领域产生深远的影响。

功率、高压和射频是增长最快的三个半导体市场；功率和高压的增长依托于复杂电源管理 (PMIC) 的增长以及汽车、工业和基础设施的增长；射频是因为5G、6G带来的日益复杂的移动通信而增长。

这些市场符合“超越摩尔”的经典定义，因为许多大型开关和其他设备需要一定的物理尺寸，并且不能按照摩尔定律的传统意义进行扩展。

缩小和改进这些设备的最佳方法之一是使用新材料。Atomera 的 MST 已被证明可以使用相同的工艺节点和设备组将这些大型电源开关的尺寸显著减小 30% 或更多。

公司也在加大力度使用碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 基板来制造成本更低、损耗更低的功率器件。超越摩尔技术是现在和未来芯片供应链中断的解决方案，可以保护该行业免受未来此类短缺的影响。

审核编辑 ：李倩