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等离子体蚀刻在新材料蚀刻中的展望

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发布时间：

2020-12-18

为了追赶摩尔定律的脚步，5nm之后集成电路制造很可能将会放弃传统的硅芯片工艺，而引入等离子体蚀刻新的材料作为替代品。现在看来，5nm有可能将会成为硅芯片工艺的后一站。事实上，随着硅芯片限制的逐渐逼近，这几年人们也越来越担心摩尔定律是否会失效。为了跟上摩尔定律的节奏，必须不断缩小晶体管的尺寸。但是随着晶体管尺寸的缩小，源极和栅极间的沟道也在不断缩短，当沟道缩短到一定程度时，量子隧穿效应就会变得极为容易，换言之，就算是没有加电压，等离子体蚀刻源极和漏极都可以认为是互通的，那么晶体管就失去了本身开关的作用，因此也没法实现逻辑电路。从现在来看，7nm工艺是能够实现的，5nm工艺也有了一定的技术支撑，而3nm则是硅半导体工艺的物理限制。因此，对于5nm后等离子体蚀刻工艺硅的取代材料在很早就引起各商业巨头和研究机构的关注。

等离子体蚀刻在新材料蚀刻中的展望目前看来，III-V族化合物半导体、石墨烯、碳纳米管这几种材料的呼声高，当下业界普遍的看法是在PMOS用锗，纳米NMOS用磷化铟。
对于III-V化合物，IMEC(微电子研究中心，成员包括Intel公司、IBM公司、台积电公司、三星公司等半导体业界巨头)很早以前已经宣布成功在等离子体蚀刻300mm(22nm)晶圆上整合磷化锢和砷化锢家，开发出 FinFET化合物半导体。比起其他替代材料，III-V族化合物半导体没有明显的物理缺陷，而且与目前的硅芯片工艺相似，很多现有的等离子体蚀刻技术都可以应用到新材料上，因此也被视为在5nm之后继续取代硅的理想材料。石墨烯被视为另一种梦幻材料，它具有很强的导电性、可弯折、强度高，这些特性可以被应用于各个领域中，甚至具有改变未来世界的潜力，也有不少人把它当成是取代硅的未来的半导体材料，石墨烯被誉为后硅时代的“神奇材料”，预计将于2028年加入半导体技术发展路线图(ITRS)。碳纳米管可以提高单位面积下晶体管的集成数量(例如2.5D，3D堆叠等方案，目前在NAND、DRAM等存储产品中已有不少应用，不过对于IC芯片来说，发热问题不好解决)，在未来甚至还可能有光子计算、量子计算等颠覆摩尔定律的计算机出现。