国产芯片又一突破，成功研发3纳米晶体管

胖福的小木屋 2019-10-12 15:21:14

这里，我们需要先搞懂这三个概念之间的区别。

晶体管是集成电路的基本单元。

集成电路（IC）就是在一块极小的硅单晶片上，利用半导体工艺制作上许多晶体管及电阻、电容等元件，并连接成完成特定电子技术功能的电子电路。

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集成电路

芯片是指内含集成电路的硅片，体积很小，常常是计算机或其他电子设备的一部分。芯片（chip）就是半导体元件产品的统称。是集成电路（IC， integrated circuit）的载体，由晶圆分割而成。

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芯片

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

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半导体材料

从弗莱明发明真空二极管，人类历史上第一只电子器件诞生，到后来真空三极管，再到后来的PN结型晶体管，电子器件经过了好几代的更迭。

PN结型晶体管的出现，开辟了电子器件的新纪元，引起了一场电子技术的革命。与电子管相比，晶体管的构件是没有消耗的，消耗的电能也极少，也不需要预热，更加结实可靠。被广泛地应用于工农业生产、国防建设以及人们日常生活，还是第二代计算机的主要元件。

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第一只晶体管

一般来说，越小的制程能够带来越强的性能、越低的功耗和散热以及更小的芯片尺寸。晶体管数量越多意味着芯片的运算速率越快、能耗更低，所以更先进的制程可以使芯片内部集成更多的晶体管，使处理器具有更多的功能以及更高的性能以及更低的能耗。

而来自中国科学院微电子研究所微电子设备与集成技术领域的专家殷华湘说，他的团队已经研发出3纳米晶体管——相当于一条人类DNA链的宽度，在一个指甲盖大小的芯片上能安装数百亿个这种晶体管。

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而晶体管需要突破3纳米其中最大的障碍就是玻尔兹曼暴政，即电子器件功耗下限受Log（kT/ Q）制约，源于Fermi-Dirac统计，其中k即玻尔兹曼常数，T是温度，Q是电荷。玻尔兹曼常数所表示的是单个气体分子平均平动动能随热力学温度变化的变化系数。从物理角度来说，组成物质的分子是在不断运动的，而分子运动的剧烈程度，在宏观尺度上的表现就是温度。

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目前，现有的硅基晶体管受玻尔兹曼热力学限制，室温下亚阈值摆幅SS≥60mV/dec，阻碍了工作电压的继续降低。当集成电路技术进入5纳米及以下节点，随着集成度的持续增加，在维持器件性能的同时，还面临功耗急剧增加的严重挑战。也就是说，这意味着随着更多较小的晶体管安装到芯片上，晶体管所需电流产生的热量将烧毁芯片。

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如何推翻玻尔兹曼暴政，科学家想到了很多的方法，殷华湘说，他的团队使用一种称为“负电容”的方法，这样他们能用理论上所需最小电量的一半电量来为晶体管提供电力。

在某一临界电压下，铁电体会反转它的极化方向,这会导致材料表面束缚电荷的巨大积累，瞬间可超过电源的电极所供给。此时，如电极和外电源间放一电阻，就可看出电压在下降，但电荷仍然在增加；结果导致出现电容为负值。这就是“负电容”！

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目前半导体领域，公认推翻玻尔兹曼暴政的方法就是负电容。殷华湘团队也正是使用这种方法推翻了玻尔兹曼暴政。

殷华湘团队在主流后HKMG FinFET集成工艺的基础上，通过材料工艺优化和多栅器件电容匹配设计，结合高质量低界面态的3纳米铪锆金属氧化物薄膜，研制成功性能优异的NC-FinFET器件，实现了SS和阈值电压回滞分别为34.5mV/dec和9mV的500纳米栅长NC-FinFET器件，以及SS和阈值电压回滞分别为53mV/dec和40mV的20纳米栅长NC-FinFET器件。

其中，500纳米栅长NC-FinFET器件的驱动电流比常规HfO2基FinFET器件（非NC-FinFET）提升了260%且电流开关比（Ion/Ioff）大于1x106，标志着微电子所在新型NC-FinFET器件的研制方面取得了重要进展。

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（a）负电容FinFET基本结构；（b-c）三维器件沟道结构与铁电HZO膜层结构；（d-e）器件I-V与SS特性；（f）最新器件性能国际综合对比（SS与回滞电压越小越好）

不过这个所谓的负电容技术还是学术研究，殷华湘也表示该技术具备应用实力，但是殷华湘也提到了这个技术距离商业化应用还有数年时间，团队还在致力于解决材料及质量控制等问题。

目前，殷华湘团队正在抓紧时间将3纳米晶体管正式量产，投入市场之中，因为其他国家也已经加入将3纳米晶体管投入市场的竞赛。像韩国三星公司表示，它计划到2020年上半年完成3纳米晶体管的研发。三星认为，同7纳米技术相比，用它的3纳米晶体管制造的处理器只需用一半的电力，性能却会提高35%，随着3纳米晶体管研发获突破，未来相关产业链公司或将受益。