硅纳米线:芯片设计领域的下一大热门

晶体管架构方面的下一步很可能是硅纳米线——这种极薄的硅导线将组成晶体管的沟道，四面由环绕式二氧化硅围住，这种二氧化硅就叫高K金属栅极（high-K metal gate）。

IBM公司的半导体研究开发中心主任Gary Patton在加利福尼亚州圣克拉拉召开的2012年通用平台技术论坛大会（CPTF 2012）上发表了主题演讲，他说：“这是终极的全耗尽器件。不是只在两面或三面上有栅极——它完全把硅纳米线器件封装起来。”

好几代工艺以来，传统的普通的平面晶体管（扁平晶体管）用在芯片中，只是现在才被三维鳍式场效应晶体管（FinFET）所取代——英特尔称之为“三栅极”（Tri-Gate）。CPTF 2012有相当一部分的内容用于讨论通用平台技术论坛的主要成员（IBM、三星和GlobalFoundries）在FinFET方面的计划，但是下一代硅纳米线技术同样得到了大家的关注。

IBM的半导体技术研究主任Mukesh Khare在CPTF的一场会议上介绍了硅纳米线晶体管，他先回顾了在这个领域所取得的进展：先是解放电子的应变硅，然后是高K金属栅极晶体管的漏电保护，最后介绍了全耗尽的FinFET器件/三栅极；全耗尽是指没有令人讨厌的松散的电子。他说：“一旦我们知道了某项技术，也知道了如何从中受益，我们会一直使用它。”

这些进步是累积性的：高K金属栅极晶体管是应变的；FinFET晶体管既有应变硅，又有高K金属栅极。Khare说：“这建立在以往投入到技术路线图上的技术创新上。”

他巧妙地问道：“FinFET之后的下一个发展阶段是什么？”然后自己作了回答。“纳米线；在我们看来，这是终极的硅器件。”

他提到FinFET时说：“现在面对的是三维。你在三个平面上做文章。换成纳米线后，就相当于有了圆柱体；而在圆柱体中，你的栅极完全绕在器件周围——没有比这个更理想的了。”

Khare表示，现在许多研究实验室“的研发工作开展得非常顺利”，试图充分利用FinFET晶体管技术的所有进步，并将它们引入到未来的硅纳米线中。他说：“纳米线方面我们在开展一项庞大的计划，研究如何把三维FinFET工艺集成和工艺技术引入到终极的纳米线技术。”

倒不是说硅纳米线很快就会出现在商业级芯片中。就基于FinFET的芯片而言，还有大量的调整、优化和完善工作有待去做，当然还有缩小尺寸的工作。 FinFET“不会是某一代的解决方案，将是好多代的解决方案。”

他谈到了2010年开展的工作，他领导的研究小组能够使用FinFET的一些技术，制造出完全可以工作的25级环形振荡器CMOS电路。他说：“而这些纳米线的尺寸缩小到了3个纳米直径大小。”Patton在发表主题演讲时提到了同一器件，声称这是“在确保硅纳米线为高级的研发阶段作好准备方面而迈出的一大步。”

Khare对组装芯片设计师们说：“很显然，为了从3个纳米直径的圆柱体获得电流，需要大量的技术创新，也需要做大量的工作，但这是我们的工作，这也是我们大家在努力实现的目标。”

补充说明：

三星的尹钟植（Jong Shik Yoon）目前带领该公司的逻辑器件开发团队，致力于20nm和14nm工艺方面的研发。他说到了FinFET的尺寸可以缩小到8个纳米，而某种FinFET-纳米线混合体的尺寸更是有可能缩小到5个纳米。

他说：“我不知道尺寸缩小到5个纳米以下会出现什么情况。但是我认为在坐的大多数人不需要为此而操心。我会在家里与妻子一起看看，我们的年轻一代在将来会如何向前迈进。这就是我要做的事情。”