如果IBM Research的碳納米管晶體管研究能有所突破，國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)的2028年硅材料“末日預(yù)言”時(shí)間將得以延續(xù)。根據(jù)IBM表示，研究人員們已經(jīng)找到一種可將通道長度縮短至1.8nm節(jié)點(diǎn)(4個(gè)技術(shù)世代后)的方式，預(yù)計(jì)最終還將超越埃(angstrom;納米的十分之一)等級(jí)。果真如此，摩爾定律(Moore's Law)就能沿用相同極紫外光(EUV)微影互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝技術(shù)，順利地延續(xù)到次納米級(jí)(埃)工藝。

“1.2nm寬的碳納米管通道已經(jīng)證實(shí)可行了，”IBM華生研究中心(T.J. Watson Research Center)納米科學(xué)與技術(shù)經(jīng)理漢述仁表示，“微縮的主要問題不只出在碳納米管，硅與III-V族材料(銦、鎵、砷)的觸點(diǎn)也存在無法微縮的挑戰(zhàn)。”

“我們已在最近取得了突破，”漢述仁指出，“如今了解了如何進(jìn)行微縮，使其不再成為碳納米管晶體管的限制因素。我們制作出新的觸點(diǎn)，可測(cè)量至埃級(jí)，而且兩端只有36kΩ。”

在經(jīng)過長久的等待后，根據(jù)Envisioneering研究總監(jiān)Richard Doherty表示，這項(xiàng)突破性的技術(shù)可望在不久后實(shí)現(xiàn)。

“畢竟，如果你還記得從貝爾實(shí)驗(yàn)室(Bell Labs)開發(fā)出觸點(diǎn)晶體管到Fairchild和英特爾(Intel)連手打造出平面晶體管得花10年之久，就不會(huì)對(duì)于IBM得用另一個(gè)十年取得如此突破而感到意外了，”Doherty強(qiáng)調(diào)。

▲圖中顯示具有一端鍵合觸點(diǎn)的碳納米管晶體管，其觸點(diǎn)長度低于10nm

IBM 經(jīng)驗(yàn)證可用的芯片擁有9nm信道，但在取得這項(xiàng)突破以前，觸點(diǎn)相形之下十分巨大。如今，IBM找到了一種能制作出較小觸點(diǎn)的方法，能讓它們微縮通道長度至 1.8nm節(jié)點(diǎn)(約4個(gè)技術(shù)世代)，最終還將超越埃等級(jí)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)只攜帶大約15mA，但I(xiàn)BM計(jì)劃僅為設(shè)計(jì)中的特定位置同時(shí)使用許多碳納米通道，從而解決這些問題。

“利用自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，我們能以8-10nm間距平行放置碳納米管，”漢述仁透露，“我們用物理氣相沈積(PVD)工藝為其進(jìn)行沉積，然后再用高溫退火——類似于顯微焊接的冶金過程——以確保兩端的通道觸點(diǎn)穩(wěn)定。”

▲穿透式電子顯微鏡(TEM)影像橫截面顯示具有一端鍵合觸點(diǎn)的碳納米管晶體管，其觸點(diǎn)長度低于10nm

Doherty 對(duì)于IBM的“焊接”技術(shù)印象深刻，認(rèn)為這將為IBM帶來競爭優(yōu)勢(shì)。其方式是在碳納米管自對(duì)準(zhǔn)于晶體管通道以前，以鉬涂布碳納米管兩端。然后加熱整個(gè)組裝至華氐1,562度(850℃而完成“焊接”過程，從而熔融鉬并轉(zhuǎn)化成為碳化物——一種可制作出優(yōu)質(zhì)埃級(jí)觸點(diǎn)的導(dǎo)體。

開關(guān)電流切換率達(dá)10,000

“這項(xiàng)焊接/碳化物的新發(fā)現(xiàn)似乎是唯一有利于金屬的硅工藝，而且不會(huì)產(chǎn)生氧化的問題，或是蕭特基阻障層特性帶來不必要的步進(jìn)電壓閾值。而IBM的方法可實(shí)現(xiàn) 10,000的開關(guān)電流切換率，”Doherty指出，“其他嘗試連接至納米管的方式可能隨時(shí)間進(jìn)展而產(chǎn)生各種不同的電阻與導(dǎo)電特性，使其只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段。IBM的這項(xiàng)成果為實(shí)現(xiàn)真正的碳納米管結(jié)構(gòu)鋪路，使其能夠利用經(jīng)驗(yàn)證可行的硅微影技術(shù)。”

▲圖中顯示在相同納米管上一組具有不同觸點(diǎn)幾何的組件，證實(shí)了這種觸點(diǎn)尺寸可加以微縮，而不至于降低組件性能

IBM目前只能用其革命性“焊接”技術(shù)生產(chǎn)p型晶體管，但聲稱這些組件可運(yùn)作得比FinFET更好。據(jù)漢述仁透露，該公司的下一步是在隧道終端使用光源，打造出n型組件，讓CMOS碳納米管晶體管可在3nm節(jié)點(diǎn)時(shí)進(jìn)行制造，屆時(shí)硅FinFET將達(dá)到5nm節(jié)點(diǎn)。

“IBM的內(nèi)部目標(biāo)是在5nm節(jié)點(diǎn)時(shí)準(zhǔn)備就緒，并成為3nm節(jié)點(diǎn)一直到埃級(jí)以后的最佳選擇，”漢述仁表示。

據(jù)Doherty表示，IBM的成果為延續(xù)摩爾定律帶來了新希望，因?yàn)閷?duì)于“焊接”技術(shù)來說，目前還沒有什么不可突破的微縮問題。Doherty并將IBM的這項(xiàng)“焊接”技術(shù)稱為“同軸連接”(coaxial connection)技術(shù)。

“隨著摩爾定律的持續(xù)推向極限，硅晶變得越來越低效，而9nm通道的碳納米管技術(shù)為業(yè)界帶來了勇氣和信心，讓他們知道還有可替代的半導(dǎo)體路徑存在，”Doherty強(qiáng)調(diào)，“同時(shí)，我也很少看到IBM的科學(xué)論文中有這么多研究人員共同帶來了貢獻(xiàn)。他們的目標(biāo)是在十年內(nèi)付諸生產(chǎn)，但我相信他們一定想盡可能更快達(dá)成。”

IBM的這項(xiàng)成果是其后硅晶技術(shù)計(jì)劃的一部份，這項(xiàng)30億美元的研發(fā)計(jì)劃從2014年開始，目標(biāo)在于為IBM所謂即將來臨的“認(rèn)知運(yùn)算時(shí)代”所需要的運(yùn)算需求而鋪路。