戍天九思：另辟蹊径！清华突破1nm以下芯片核心技术！

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　　2021年4月19日，国家领导人在清华建校110周年前夕发表重要讲话，强调要勇于攻克“卡脖子”的关键核心技术。3天后，清华成立集成电路学院，果然不负众望，成立不到一年就有了重大突破。

　　近日，清华大学集成电路学院任天令教授团队，在小尺寸晶体管研究方面取得重要进展，首次实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管，并具有良好的电学性能。3月10日，相关成果以“具有亚1纳米栅极长度的垂直硫化钼晶体管”为题在线发表在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上。

　　▲清华大学集成电路学院任天令教授

　　突破1nm以下晶体管技术意味着什么？

　　3月9日，苹果公司发布的新款个人计算芯片M1Ultra，据说比当前最强大的桌面计算芯片要高出90%，晶体管数量达到惊人的1140亿个，是上一代的7倍之多，可能会使用台积电的5nm工艺。

　　事实上，在2010年以后，大部分半导体代工厂号称的多少纳米的工艺，已经不严格对应实际的栅极长度了，而只是工业上一个习惯说法。比如，IBM在2021年发布的2nm工艺，实际的栅极长度是12nm。目前市面上比较常见的7nm、5nm工艺，栅极长度也都在10nm这个量级。这倒也不能怪代工厂虚标，而是学术界都还没有顶开这个开花板。

　　目前，学术界在极短栅长晶体管探索的最新成果是：

　　★2012年，日本产业技术综合研究所在国际电子器件大会（IEDM）报道了基于绝缘衬底上硅实现V形的平面无结型硅基晶体管，等效的物理栅长仅为3纳米。

　　★2016年，美国的劳伦斯伯克利国家实验室和斯坦福大学在《科学》（Science）期刊报道了基于金属性碳纳米管材料实现了物理栅长为1纳米的平面硫化钼晶体管。

　　★清华大学在3月10日《自然》杂志上发表的最新成果。研究人员使用二维材料，在硅片上加工出了迄今为止栅极长度最小的晶体管——只有0.34纳米。清华与美国走了大体相同的技术路线，美国突破的是平面硫化钼晶体管，清华突破的是垂直硫化钼晶体管，而且清华走得更远。否则，《自然》杂志也不会刊登。

　　清华探索芯片制作新材料新方法

　　要说清楚清华重大突破的意义，就必须了解清华论文中的两个关键词：“栅极”和“二维材料”。

　　首先解释一下“栅极”。它的英文是Gate，也就是门的意思。在晶体管里，栅极是负责控制整个结构开关的最关键部位。栅极长度越小，晶体管就能变得越小，所以栅极长度成为衡量晶体管大小最重要的指标。业界说的5nm、3nm工艺，就是指栅极长度。

　　“二维材料”是跟传统的“三维材料”相对应的。我们今天使用的芯片都是由三维材料组成的，也就是由一大堆原子堆砌成的立体结构。比如5nm晶体管，虽然很小，但仍然属于三维材料，它的栅极长宽高，有几十到几百个硅原子。

　　要想进一步缩小栅极的尺寸，该怎么办呢？

　　极限思路就是“降维打击”。把栅极的三维结构拍扁成二维，让它变成一个平面网格，只有一层原子的厚度，也就是零点几个纳米。如果把这一层原子当作晶体管的栅极，那这零点几个纳米，差不多也就是栅极长度的物理界限。这也就是清华大学这篇论文的思路。

　　具体来说，研究人员使用了两种二维材料：石墨烯和二硫化钼。他们把晶体管设计成了一种台阶结构，由硅基组成一个台阶，把二硫化钼薄膜像地毯一样，铺到台阶的上下层，地毯的上层和下层分别对应着晶体管开关的两端。而单层石墨烯，则是插在了台阶结构的中间，充当晶体管的栅极。给这层石墨烯施加电压，就可以控制台阶上层和下层之间的导通和关闭。

　　▲二硫化钼晶体管示意图

　　由于这个控制电压是从石墨烯的边缘释放的，在这个位置上只有一层碳原子，厚度大概是0.34纳米——于是，这篇论文就实现了目前世界上栅极长度最小的晶体管结构。这也达到了栅极长度的物理极限，因为栅极最少也得包含一层原子。

　　清华另辟蹊径有望助力中国芯片换赛道超车

　　由于石墨烯很难稳定存在，而二硫化钼的性能比石墨烯更好，因此，二硫化钼有望成为下一代芯片材料。二硫化钼作为芯片材料有三大优势：

　　★二硫化钼芯片不易发热、能耗低。目前，硅晶芯片已接近“摩尔定律”的极限。主要原因是当芯片工艺向3纳米缩小时，就会出现“量子隧穿”现象，电子就有了“穿墙术”，不再是受控穿过单晶硅，因此芯片研发屡屡失败，这还使硅晶芯片易发热、能耗高。二硫化钼只有三层原子厚：上下两层都是硫原子，中间一层是钼原子，这个厚度也已接近极限，所以它可看成是二维材料。由于二硫化钼晶体是一种层状结构，电子很难突破层与层之间的间隙，只能被限制在层内运动，因此，不会出现量子隧穿效应。

　　▲二硫化钼原子结构示意图

　　★二硫化钼芯片比单晶硅芯片更容易控制纯度。芯片材料对纯度有苛刻的要求，纯度低的芯片运算出错的概率就会大幅增加。单晶硅是原子晶体，每一个原子都要和周围的四个原子，通过化学键连接起来。边缘的硅原子无法和四个硅原子相连，只能留出空闲的化学键，称为“悬挂键"。而悬挂键容易和其他原子结合形成杂质，使单晶硅的纯度降低。而芯片电路尺寸越小，边缘露出来的硅原子就越多，悬挂键也就越多，杂质也就越多。二硫化钼没有悬挂键，不会引入杂质。它的化学键只在三层原子之间，没有边缘，其他原子很难插入三层的内部。因此，二硫化钼芯片容易控制纯度。

　　★制造二硫化钼芯片可能绕过目前的技术瓶颈。目前，硅晶芯片是用光刻机，利用激光把电路雕刻出来。因此，要想让芯片电路变得更精细，前提条件是要掌握更精密的光刻技术，但是，现在光刻机的精度很难再提高。但是，生产二硫化钼芯片，可能不通过光刻技术，直接获得。目前，二硫化钼晶体大多是通过化学沉积法完成。简单说，就是用一些原料缓慢反应产生二硫化钼之后，直接铺在基底材料上。如果这套技术完全成熟，我国就可以绕过光刻技术的瓶颈。

　　清华任天令研究团队是使用原子层沉积方法完成的。具体器件结构、工艺流程、完成实物图如下所示：

　　▲亚1纳米栅长晶体管器件工艺流程，示意图表征图以及实物图

　　可见，二硫化钼芯片具有比硅晶芯片更好的应用潜力，二维的二硫化钼芯片还有望打破三维硅晶芯片“摩尔定律”的极限，二硫化钼芯片工艺还有望绕过光刻机“卡脖子”问题。

　　在这个全新的芯片研发领域中，中国的研究团队已经走在世界最前列。从这个思路出发，中国科学家也许能够在1nm以下的下一代半导体芯片中，实现换赛道超车。

　　但是，目前批量生产出二硫化钼晶体管工艺还没有突破。因为二硫化钼是一种二维材料，而二维材料的批量化生产，对现代技术来说还是一个全新的课题。正是因为这一点，国际芯片巨头虽然普遍看好二硫化钼，但是还没有实际投资到相关产业。而这可能恰恰是中国的机遇。