為什麼 IBM推出7nm工藝新型晶元要使用鍺硅材料？

01-14

IBM推出7nm工藝新型鍺硅晶元，鍺硅的優勢在哪裡？

前幾天機緣巧合看到了這個問題，發現正好跟我之前碩士開題的方向有點聯繫，我看到很多人都回答了Ge作為晶元材料的諸多優勢，都說的很有道理，我是研究Si這種材料的，對於Ge的性能並不是很了解。但是我想從應變硅這一概念，給這個問題提供一個新的思路。

首先還是要提摩爾定律，之前幾個答主都介紹的很清楚了，我就不再贅述。去年是摩爾定律提出40周年，在這40年里摩爾定律都準確預測了晶元行業的發展（看下圖）。inter公司宣布其10nm工藝平台canonlake將推遲一年，到2017年下半年才能實現量產（可能不是最新消息）。這說明24個月翻一倍的周期已經減緩了。

然後說一下SiGe工藝的概念：SiGe工藝（應變硅），是在製造電路結構中的雙極晶體管時，在硅基區材料中加入一定含量的Ge形成應變硅異質結構晶體管，以改善雙極晶體管特性的一種硅基工藝集成技術。

它的優點：具有高性能、高集成度、高成本-效益比等特點。與同尺寸普通MOSFET相比，功耗減少1/3，速度提高30%，特徵頻率提高50%，功耗延遲僅為後者的1/6。

最後也是最重要的，解釋一下這其中的原理：

這兩幅圖經常被用來解釋應變硅的基本原理，其實很簡單，Ge的原子半徑是要大於硅的，並且Ge的晶格常數也比Si單晶的晶格常數要大（上圖），這樣將兩種物質結合在一起（不管是ALD還是其他方法），Si原子之間的鍵長就會被拉伸，有一種最淺顯的說法因為原子間間距增大，對電子移動的阻礙就減小了，所以速度，功耗和特徵頻率等性能會有較大的提升。英特爾ProcessArchitecture Integration經理Mark Bohr曾經非常形象地描述：「只需將硅原子拉長1% 就可以將MOS晶體管電流速度提高10%~20%，而應變硅 的生產成本只增加2%」。

其實應變硅的具體原理現在還有所爭議，沒有一個統一的共識。大家主要從應變調控硅的能帶結構，載流子遷移率，電子和空穴的有效質量，以及表面態改變等各個方面入手來解釋。我個人認為很有可能是一個綜合的結果，這也是我最近的一個研究方向。

第一次回答問題，請多多指教。

謝 @袁霖邀

我是做through silicon via（TSV）方面的，對基體材料了解不深，拋磚引玉的說說查到的資料吧。

首先回答為什麼IBM要用鍺硅材料。那是因為IBM是鍺硅材料的行業領頭人，他們對這個材料的性能，工藝等是最了解也是研發能力最強的。既然是要製造打破現在尺寸極限的新型晶元，當然是要用自己拿手的材料。這個材料並不是新發現的，但是IBM多年技術積累把這個晶元做出來了，這是很了不起的。IBM - 硅鍺晶元

其次回答這個材料的優勢。

鍺是比硅貴的，所以它的優勢應該是在硅晶元力所不能及的領域，才使人們願意花大價錢去製造。下面詳細說。

上圖是鍺和硅的能帶圖，可以看出鍺的帶隙比硅小。鍺硅材料可以通過調節鍺的組分和引入表面起伏，使響應波長工作在1.3μm和1.55μm之間。而常規光通信波段為1.3μm-1.6μm。所以這個特性使鍺硅材料在光通信器件方面有很大優勢。

上圖是鍺和硅的遷移率比較，鍺的遷移率遠大於硅，具有很好的高頻性能。鍺硅材料在一些射頻領域就有很大的優勢。鍺硅低維量子結構製備研究。應用範圍如下圖

鍺硅集成電路晶元生產線項目可行性研究報告

除了性能的優點，如另外的答主回答的，鍺硅材料製造工藝和硅材料製造工藝是比較兼容的，實用性很高。晶元製造中，設備成本是很高的（隨手搜到三星最新的晶元廠造價144億美元三星新晶元廠2017年投產造價144億美元），工藝融洽的材料更受青睞。

另外，搜這個新聞的時候，看到英特爾表示自己的7nm晶元也在研發中，而且不用IBM採用的極紫外線光刻（EUV），拭目以待。展示了 7nm 晶元的 IBM，真的領先英特爾了嗎？

@高揚宇和匿名用戶說得很好，我再補充一點，鍺硅完全不是新東西，很多廠商在40nm工藝里就用這個做了溝道材料

由於硅基mosfet溝道越來越短，二級效應就變得很嚴重，眼看摩爾定律就要到頭。一是改變器件結構，二是尋找新材料，能讓摩爾定律接著走下去。

鍺相對硅電子遷移率更高，理論上性能可以做的更好。這種東西做出來沒什麼新奇的，關鍵看能不能量產，以及兼容現有的硅工藝。

謝邀，很多東西已經忘的差不多了，如果答案有問題的話，歡迎指正。

其實應用鍺（Ge）作為替代硅作為集成電路的半導體材料早就不是新鮮事兒了，其理論基礎為鍺的載流子遷移率要高於硅（Si）的，這件事情可以理解為理論上應用Ge能夠製造時鐘頻率更高，即更快的集成電路。

但是一直以來問題都出在工藝上，舉兩個簡單的例子，一是Ge的熔點為900度左右，部分高溫工藝是沒法做的；二是在集成電路工藝中需要反覆的用到製備絕緣層這一工藝，Si的氧化物SiO2是絕佳的絕緣體，而且直接在Si表面進行熱氧化就可以製備出來，工藝極其簡單，至於Ge的。。。。好像挺麻煩的。。。。至於其它的外延生長啊金屬積澱啊什麼的好像鍺的工藝都很複雜。

因此想要利用上Ge的優勢也是微電子領域的一大課題（嗯，就是非硅基半導體電路製備工藝，Ge只是其中的一個分支），其中有一種就是在硅基上外延生長出Ge的方式。估計IBM使用的鍺硅材料就是類似於這種東西。

題外話，最近IBM在微電子上的黑科技著實不少。。。。前幾天剛看到發布了石墨烯的集成電路，今天又搞個7nm的鍺硅材料工藝，這你妹是分分鐘幹掉intel的節奏啊。

謝邀。我是做設計的，對工藝和材料了解不深。SiGe的很多特性和標準的CMOS很類似，但是總體性能要好很多。現在14nm以下應該都還在實驗室探索階段，所以用SiGe探路很正常。更具體的東西可能要問一些做器件的。

我提供一個新的角度吧。

IBM做Ge好久了，它家的一些工藝是偏向模電的，有成熟的Ge heterojunction transistor，必然積累了很多Ge的經驗。

其他的幾家大的代工廠(以及intel)專攻數字電路，純CMOS。在Ge上的經驗不多，所以在開發新工藝時不會首選Ge吧

謝邀，我從事IC設計。從設計師的角度看這個問題其實非常直接明朗；為了提升晶元性能以及降低功耗，數字器件制式不斷縮小，相其VDD也不斷降低；此時數字電路漏極電流會出現速度飽和的情況。當速度飽和發生後，漏極電流大小與溝道材料遷移率成正比；由於鍺硅材料遷移率更高，其漏極電流相對更大，因此新器件溝道採用鍺硅材料。

謝邀。

晶體管尺寸進一步減小無非兩種方式：新的材料和新的製造技術

隨著晶體管的尺寸逐漸變小，經典的物理學定律也逐漸開始不再適用。

在現有製備工藝下，14nm/10nm工藝接近成為硅晶體管尺寸的極限。

之前也有答主提到，鍺硅材料和硅材料製造工藝是比較兼容，而一條工藝生產線是極其昂貴（144億刀，去年國家投入的1200億軟妹幣晶元產業扶持基金也就是一條生產線的費用）。所以開發新材料看起來是比較好的選擇。

鍺材料2-3倍於硅材料的遷移率意味著可以製造成更小而且更快的晶體管，即開關速度更快，集成程度更高。

至於為什麼一開始不用鍺材料，傳送門為什麼 CPU 只用硅做，而不用能耗更低的鍺做？ - 硬體

好吧，瀉藥

已經轉行了，對行業的新進展不便評論

謝邀，然而無法做出比樓上大神們更專業的回答...現在的方向是數字集成電路

謝邀。對基礎材料不熟悉。

曾經聽說鍺材料在低功耗、集成度方面更有優勢，但材料與工藝成本居高不下。

另外，聯想IBM在先進IC架構設計方面有突破，比如神經元晶元，但目前硅基工藝似乎將要走到盡頭。7nm的鍺製程對此類晶元可能意味著實現初步商業化。

謝邀。這個，不太清楚。因為我做的是前端工作，即使設計階段需要考慮時序等問題，我們也只是需要知道一些延遲、負載、亞閾漏流特性，至於具體工藝環節不清楚。

謝邀。我主要負責晶元工藝這塊，對於材料那塊不是特別了解。再說個搞笑的，我學校實驗室2um是極限了，光刻機還是SUSS MJB3。