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晶片的奈米技術導入進程 -- Intel之奈米版圖

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科技產業資訊室 發表於 2004年11月10日

根據Intel研究人員在加州聖他克拉拉總部的一次內部聚會,在可見的未來、摩耳定律仍將規範晶片的發展,但晶片無論是在設計原理或製作材料的使用上均將面臨重大的變革。對Intel來說,矽基電晶體的淘汰已不是選擇性的問題、而僅是時程上的問題了。

依據Intel技術策略處長Paolo Gargini的敘述,到2010年將會有更明確、能取代CMOS電晶體(互補式金屬氧化半導體)的構想出現。預計在2014年,晶片的電晶體結構將由奈米碳管或奈米矽導線構成。到2020年,電晶體結構將有更徹底的轉變。

Source : 2003 International Technology Roadmap for Semiconductors

在1960年代,Intel創始人之一的Gordon Moore宣稱,“每兩年在相同大小的晶片上,電晶體的數量將呈倍數成長”,這就是 ”摩耳定律”。晶片不斷的以縮小電晶體的大小、來增加晶片上電晶體的密度,以提升晶片的功能。縮小電晶體的體積,即因縮小了電子的傳遞距離,而提升了晶片 的功能。電晶體數量的增加,使晶片設計者能使晶片整合進更多的功能。

從2000年開始,摩耳定律有減緩的跡象,為突破此一瓶頸而採取了Paolo Gargini所謂的“等效縮小”時代,同時以縮小電晶體的體積、及引進新科技等兩種方式來提升晶片的功效。

Intel預期在2007年將使用45奈米的製程來製作晶片,且電晶體的閘極將由金屬材料取代目前的矽材,而 ”閘極氧化層”一用於控制電晶體內部電子流的絕緣層,亦將以他種材料取代傳統所採用的二氧化矽薄層。此一新的”閘極氧化層”其厚度雖然增加一倍,但功能卻 如同更薄的二氧化矽薄層一般,能提昇電晶體的功能;且此一尚未宣佈材料的絕緣層,能更進一步地降低電子的滲漏。這些變革將使製程技術在2011年或 2012年精進至22奈米製程。

到了2015年晶片設計將進入“技術整合”年代,屆時晶片製造商將以碳奈米管或碳奈米線來製作電晶體的閘極。矽底材仍將是構築這些電晶體的底材,這些具有CMOS電晶體外觀的電晶體,其構成元件及製程均將極為不同。

奈米技術創意
奈米碳管能在未來的晶片中擔任許多不同的應用,某些形態的奈米碳 管可在電晶體中取代矽來控制電子流;稍為略有不同的奈米碳管可取代銅線用來聯接電晶體。當然,碳原子本身不可能一方面如銅一般、是導體,一方面又如矽一 般、是半導體,而是碳原子間因鍵結的方式不同,而產生不同的特性,這就是奈米技術的創意。

奈米碳管也具備導熱功能,可用來排除電腦元件所產生的熱量。於電晶體中應用奈米碳管的技術,將在2012年或2015年間成熟;但用於電腦元件的導熱,則可較早進入應用階段。

由實驗證實,奈米碳管和碳奈米線所構成之電晶體,若於相同的功率消耗下,其性能較傳統電晶體的性能高三倍。Intel、NEC等公司,均採直接在晶圓上成長奈米碳管的方法,進行製程的研發實驗。此一製程需操作於攝氏900度環境下、需使用微米級鐵珠當催化劑、並浸浴在一氧化碳與氫氣中。其他奈米碳管電晶體之製作實驗,則是在另一反應室中先行完成奈米碳管的製作,再將奈米碳管置入矽晶圓中。

Intel同時也在進行砷化鎵與其他III-V族通訊晶片的製造實驗,這些晶片很難大規模的製作,Intel希望能持續以矽晶圓為底材,於其上製作III-V族層狀材料。

Intel預計將在2020年停產CMOS電晶體,所生產的新式電晶體則將僅由數個原子組成,將不可能再進一步縮小其體積。

自旋電子理論將為新式的極簡化的電晶體提供理論基礎,將運用電子的自旋方向來定義0與1兩種信號。另一方法是利用具有“相態改變”能力之元件,以元件中材料的相態來區分資料的0與1,能以百萬分之一秒的速率進行融化與再結晶的材料,即為可應用之材料。光學技術亦可能被整合進晶片產品中。

Intel已提供經費供學術機構進行前述構想之研究,如加州大學聖塔芭芭拉校區、喬治亞理工學院、耶魯大學等。

雖然此一新式晶片與材料的發展難度甚高,但奈米技術將使此一發展變為可能,各國政府亦因此而大幅加碼晶片技術的研發;全球政府於奈米技術領域的研發經費投入,1997年有5億,2003年增加到35億。

Gargini表示,美國已有20年未投資基礎科學的研究,目前對奈米技術的投資情況,就如同聖誕老人進了城大送禮物一樣,基礎科學的研究經費,十分充裕。


 
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