IBM：迈向1纳米芯片

光子盒研究院出品

IBM的研究人员在今年的IEDM会议上提出了一系列创新[1]，展示了超越纳米片设备和铜互连的未来，为在不久的将来实现节点在1纳米以上的半导体奠定了基础。

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IBM公布了两大重要突破

多年来，半导体的创新步伐一直由摩尔定律推动，该定律指出，大约每两年，微芯片上的晶体管数量将翻一番。近年来，这一预测已经放缓，因为我们已经遇到了用于开发芯片的材料的物理极限。2021年，IBM研究院发布了世界上第一个2纳米节点的芯片[2]，是世界上最小的芯片。在此之前，近年来有一连串的创新，不断缩小芯片的节点。虽然离业界从2纳米的突破中获得最大利益还有几年时间，但IBM研究部一直在关注地平线之外的东西。

现在，IBM已经确定了两项重大突破：将引领大家走上设计计算机芯片节点的道路，目标是1纳米及以上。这两项都已在今年旧金山的IEEE国际电子器件会议（IEDM）上发表。

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“互连3.0”：超越铝和铜的新时代

在计算机芯片中，半导体中元件之间的布线被称为互连。它是电流在单个晶体管之间、存储器、处理单元和芯片中任何其他组件之间流动的方式：互连在允许这种传输方面越有效，芯片的效率就越高。几十年来，芯片之间最先进的互连是由铝制成的。

一直到1997年，IBM宣布[3]，通过使用铜而不是铝作为互连线，它可以使微芯片更小、更快。铜线导电的阻力比铝线小40%，这意味着处理速度提高了15%左右。在过去的几十年里，这种地震式的转变导致了铜成为互连的工业标准。

但是，正如硅的情况一样，IBM正逐渐达到铜线所能做到的物理极限。在通往1纳米及以上的道路上，IBM相信微铜线的有效性开始减弱。因此，IBM的研究人员一直在寻找铜之后的东西，而答案可能在金属钌中找到。

铜质互连一直都需要一种屏障衬垫材料来形成适当的布线结构。随着设备的缩小，可用于铜线的空间和衬垫材料变得越来越小。有了钌，它可以扩展到1纳米以上的节点，并且仍然是一个有效的导体，不需要衬垫，这有助于节省空间。通过减法制版方法形成的钌也有可能被用于一种新型的互连集成方案，称为顶部通孔集成。在这种方案中，互连通孔形成在导线的顶部，而不是在导线的下方，这样就可以为最关键的互连层形成连续的导线和自对准的通孔。此外，由这种顶部通孔集成形成的嵌入式气隙稳健地导致互连寄生电容的减少，也将有助于提高速度和降低功耗的芯片。

IBM公司的团队研究钌的潜力已有三年多了，人们强烈认为这种贵金属是取代铜的一个重要竞争者。研究人员使用极紫外光刻（EUV）的双重图案，在他们在阿尔巴尼的现有机器上创建测试结构。这使得今天可用的当前一代EUV机器取得了这一突破，并将扩展到下一代高NA EUV机器。称为“互连3.0”，以反映超越铝和铜的新时代。

在接下来的几年里，研究人员计划完善他们的测试，以达到他们生产出完全可行的芯片的程度。但他们相信，在1纳米及以后的节点上使用钌，通往“互连3.0”的道路是明确的。

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发布VTFET，后纳米时代的芯片选择

在去年的IEDM会议上，IBM公布了VTFET[4]，这是一种设计半导体的新方法。通过VTFET，晶体管元件被垂直地堆叠在一起，而不是像计算机时代以来设计芯片的标准那样横向堆叠。这极大地增加了单个芯片上可容纳的晶体管数量，就像摩天大楼组成的城市的人口密度远远大于郊区的排屋一样。

在今年的IEDM会议上，该小组宣布，他们已经在实际硅硬件中展示的最佳芯片上实现了技术目标的90%的设备性能。该小组的研究表明，有可能将VTFET设计的规模远远超过最先进的2纳米节点纳米片设计的性能。

虽然用于2纳米芯片的纳米片技术仍有许多年的使用期：大多数公司甚至还没有发布商业上可行的2纳米芯片，但IBM研究部始终关注着下一步的发展。

VTFET设计代表了向构建下一代晶体管的巨大飞跃，将在未来几年实现更小、更强大和更节能的设备趋势。现在，从最新的硅硬件结果来看，VTFET显然具有支持这些说法的性能能力。在2017年，IBM研究部门表示，纳米片器件结构将是FinFET之外需要的下一个器件架构，以大规模生产更小、更高效的器件，现在行业已经采用了3纳米和2纳米节点。

IBM相信，在后纳米片时代，VTFET是未来几代创新芯片设计的一个可行的选择。

“将VTFET的空间和效率提升与减法钌线的潜力结合起来，并通过EUV双重图案实现互连，1纳米及以后的节点上将有一条通往更小、更高效器件的漫长道路。”

参考链接：

[1]https://research.ibm.com/blog/1nm-chips-vtfet-ruthenium

[2]https://research.ibm.com/blog/2-nm-chip

[3]https://www.ibm.com/ibm/history/ibm100/us/en/icons/copperchip/

[4]https://research.ibm.com/blog/vtfet-semiconductor-architecture