今天我們將討論未來的晶體管並揭示其創造的所有秘密。今天已經很清楚，我們正面臨著晶片生產結構和方法發生巨大變化的時期，這是市場很久沒有看到的。世界上最偉大的頭腦都在不眠之夜思考如何使用公式來使單個原子完全按照它們需要的方式跳舞，並做一些看似違反物理定律的事情。
這也將是美國、韓國和台灣半導體巨頭之間競爭加劇的時期。他們試圖利用即將到來的範式轉移來恢復、獲得或加強自己作為技術領導者的地位。什麼樣的創新和革命在等著我們？今天我們來試著解釋一下。
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改變電晶體的幾何形狀
或者更確切地說，他們的目標將會改變。三大半導體製造商（台積電、英特爾、 Samsung），這些就是所謂的 GAAFET 電晶體。這是自 2011 年全世界看到英特爾 FinFET 電晶體以來電晶體幾何結構的首次重大變化。我不想過多討論 GAAFET 的主題，因為這需要一篇單獨的文章。這裡我們只討論它們背後的概念。
隨著電晶體的小型化，工程師開始體驗所謂的短溝道效應。簡而言之，隨著電晶體漏極與汲極之間的距離越來越短，問題也變得越來越大。也就是說，快門開始失去對流經通道的電流的控制。十多年來，解決這個問題的方法是如何讓溝道作為鰭從矽晶圓表面突出（因此稱為Fin，或FinFET中的鰭片）。這允許閘極在三個側面（如果邊緣具有楔形橫截面則為兩個側面）接觸通道，從而使其能夠更好地控制電流，並更靈活地調整電晶體的電氣參數以滿足電晶體的需求。設計。
然而，晶體管數量的穩定減少意味著這已經不夠了。閘極開始包圍電晶體通道，即形成GAAFET電晶體（GAA是Gate-All-Around的縮寫）。簡而言之，您可以將它們視為放置在一側的 FinFET 電晶體，因為 FinFET 電晶體通常具有兩個或三個邊緣。它就像一個多層三明治，其中管或片形式的通道位於彼此頂部，並由絕緣體和柵極層分隔開。儘管這一概念已為人所知多年，並使用現有設備和工藝，但其實施並非易事。問題是，在某個階段，通道的後續層懸掛在空中，僅由臨時「支柱」支撐。同時，它們的下部應該均勻地覆蓋一層單原子厚度的電介質，然後小心地用材料填充所有空的空間。
以下情況凸顯了 GAAFET 並非微不足道的事實： Samsung。自 2022 年起，韓國產品組合採用 MBCFET 電晶體（行銷名稱 Samsung 來實現 GAAFET 電晶體）。然而，實際上，這是一場典型的得不償失的比賽勝利。事實是，使用它獲得的全功能晶片的百分比是如此之低，以至於幾乎沒有人願意在生產中使用它（甚至... Samsung 對於您的 Exynos）。我們所知道的是，它用於為加密貨幣礦工生產小型且相對簡單的晶片。只有將於 2024 年推出的第二代工藝，稱為 3GAP（儘管有消息稱其可能更名為 2nm 級工藝），預計會得到更廣泛的應用。
GAAFET 電晶體（英特爾將其實施稱為 RibbonFET）應作為英特爾 20A 和 18A 製程的一部分，今年交付給英特爾工廠，該過程將用於製造 Arrow Lake 和 Lunar Lake 系統的組件。不過，各種行業傳聞表明，初期生產規模可能有限。
台積電呢？這家台灣公司計劃在其 N2 工藝中使用 GAAFET 晶體管，預計要到 2025 年才能完全準備好。理論上晚於 Samsung 和英特爾，但當台積電談論擁有某種工藝時，通常意味著準備好生產一些東西 Apple і Nvidia，因此實際上差異可能要小得多。
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改變電晶體的供電方式
等待我們的第二項創新與微電路中電晶體的供電方式有關。目前，微處理器的製造過程是由下而上分層進行的。下面建造晶體管，上面建連接網絡，然後是電源線。通常有十到二十多層，層越高，其元素越大。
在接下來的幾年裡，標準將是在電晶體之間形成結之後，矽晶圓將被翻轉、變薄，並在晶圓的另一個拋光面上創建電源路徑。這意味著晶體管將像漢堡中的肉餅，而不是蛋糕的底部。
很容易猜測它會使晶片製造流程變得多麼複雜，但根據第一個實驗，BSPDN（背面供電網路）製程帶來了許多優勢。首先，由於這種方法，晶體管可以放置得彼此更近。其次，總層數會更少。第三，從電源最高層到電晶體的連線會更短。這意味著更少的能量損失和降低電源電壓的可能性。實施解決方案的具體方法可能因複雜性和潛在收益而異，但市場上的所有主要參與者都表示該遊戲絕對值得。
今年晚些時候，我們將首次在 Intel Pro 中看到 BSPDN 的應用cess 20A（英特爾將其實作稱為 PowerVia）。英特爾的快速發展歸功於它已經在這項技術上工作了一段時間，無論是改變晶體管的幾何形狀還是使用更新的機器。這意味著她將能夠將其整合到幾乎任何未來的流程中。
Samsung 尚未提供任何關於何時開始使用其 BSPDN 回饋流程版本的官方資訊。目前還沒有太多消息，但我們知道英特爾已經在嘗試這種解決方案。業界傳言稱其有可能在計劃於 2 年實施的 SF2025 工藝中實施，或在計劃於 2027 年實施的下一個工藝中實施。
台積電也在這方面花了不少時間，並報告稱，雖然首批實驗帶來了良好的結果，但它打算將 BSPDN 引入 N2P 工藝，計劃在 2026 年和 2027 年之交實施。
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更換曬版機
如果不提及瑞利準則，關於微處理器製造的嚴肅討論就不完整。對於光刻，即曝光矽晶片的過程，其採用以下公式的形式：
CD = k1 • λ / NA。
簡而言之，這意味著光可以在矽晶片表面產生的最小元素的尺寸取決於三個數字：
k1在實際中是無量綱係數，表示製程的效率；
λ是照射板的光的波長；
NA是光學系統的數值孔徑。
多年來，增加晶體管封裝密度的主要方法是使用波長越來越短的光。我們從幾百奈米等級開始，並能夠相對快速地轉向使用 193 nm 波長的光，而半導體世界在這一點上停留的時間比它想要的要長得多。經過多年的研究、拖延和花費數十億美元，2019年ASML的UV微影機終於上市。它們使用波長約為13,5奈米的紫外光（EUV），現在被用於所有先進的晶片製造工廠。然而，這可能是上式最後一次成功減少 λ。
這就是為什麼你必須嘗試改變 NA。您可以將 NA 視為相機鏡頭的光圈。這個無量綱數決定了光學系統收集的光量。就光刻機而言，這意味著（根據上面的公式）如果我們想要製造越來越小的特徵，NA 應該越高。目前使用的 ASML 機器的 NA 為 0,33。下一步是具有高數值孔徑光學系統的機器，其 NA 為 0,55。
聽起來很簡單，但這個行業沒有什麼是簡單的。最能說明這一點的事實是，高 NA 機器比其前身大得多，價格高出兩倍多（約 400 億美元，而約 150 億美元），同時吞吐量也較低。因此，雖然每個人都知道這是製造最先進處理器的未來，但它通常被視為必要的邪惡形式。
英特爾是使用 EUV High-NA 機器最快的。這家美國公司已經購買了第一台此類機器，目前正在該公司位於俄勒岡州的一家工廠安裝。此外，英特爾還計劃購買今年生產的大部分機器。據了解，開發人員計劃在14A製程中大規模使用高NA光刻技術，預計在2026年或2027年問世（如果一切按計畫進行）。
同時地， Samsung 而台積電並不急，懷疑使用這種設備的經濟意義，直到1奈米製程實施，也就是到2030年左右。相反，他們打算透過 k1 因子範圍內的各種技巧和製程改進，充分利用現有的 EUV 機器。
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切換到 3D
現在我們開始進入一個不確定的未來區域，研究工作和一般假設，而不是具體計劃。然而，社群一致認為，隨著 X 和 Y 縮放實際上達到極限，電晶體將需要相互堆疊。目前，P型和N型電晶體彼此相鄰放置。目標是將 N 型電晶體堆疊在 P 型電晶體之上，從而形成稱為 CFET（互補 FET）的電晶體「三明治」。目前正在研究實現這種設計的兩種主要方法：單片式，其中整個結構構建在一塊板上；以及順序式，其中N型和P型晶體管在“粘合”在一起的單獨板上製造。
根據專家預測，微處理器生產市場將在2032-2034年左右進入第三維度。目前已知英特爾和台積電正在加緊研究該技術的實施，但 Samsung，可能也沒有睡覺，因為使用此解決方案的潛在好處是巨大的。
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向「二維」過渡
微電路製造領域的領導者正在努力解決的另一個問題是矽的普遍短缺。這種元素已經忠實地為我們服務了幾十年，但其數量有限，開始使其不可能進一步製造更小、更快的電晶體。因此，世界各地正在對可以取代電晶體通道中的矽的所謂二維材料進行研究。這些材料的厚度可以是幾個原子或只有一個原子，並提供電荷遷移率，這是這種厚度的矽半導體所不具備的。
最著名的二維材料是石墨烯。儘管其在晶片生產中的應用仍在探索中，但由於缺乏自然能隙，它是否能在工業規模上用於半導體生產還值得懷疑。然而，使用 TMD 化合物（過渡金屬二硫屬化物 - 週期表 d 區過渡金屬和週期表第 16 族硫屬元素的化合物）的研究，例如 由英特爾和台積電共同進行的 MoS 2 和 WSe 2 看起來很有前景。我們將在未來十年看到它們的後果。
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有趣的時刻即將到來
總而言之，我注意到未來幾年半導體生產領域將充滿創新和革命。上述創新甚至沒有窮盡主題，因為我們沒有提到任何有關電腦光刻的內容，也沒有提到小晶片的開發，也沒有提到向 Glass 處理器基礎的潛在過渡。我們也沒有談論記憶體生產的進展。
大家都知道，這樣的轉捩點是追趕科技落後的理想時機，因為競爭對手很可能會失敗。英特爾甚至將公司的整個未來押注於能夠比競爭對手更快地提供下一代半導體創新。美國政府也對將最先進晶片的生產帶回北美非常感興趣，這就是為什麼它投資數十億美元用於英特爾的開發。然而，晶片補貼不僅僅是美國人感興趣的領域。在韓國和台灣，政府也提供豐厚的優惠 Samsung 還有台積電，因為他們知道未來一段時間有多重要，這些國家的未來有多依賴新科技。除此之外，因為他們背後有中國，中國也在半導體生產的研發和開發上投入了大量資金，但這已經是另一篇文章的主題了。
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