摩尔定律成功地指导半导体产业可实现1nm工艺的发展

在过去的40年里，半导体行业一直遵循摩尔定律。在过去的几十年里，半导体行业通过巧妙地设计元件和电路——创新制造晶体管的材料和结构——提高了芯片性能。此外，我们预计系统级扩张将发挥更大的作用:去年，存储器制造商生产了176个堆叠在存储层上的3DNAND芯片，并宣布芯片路线图将在2030年左右生产600多个存储层。

在过去的57年里，摩尔定律一直是指导半导体产业发展的黄金法则。即使推动摩尔定律生效的条件正在改变，它也将继续引导该行业向前发展。

1965年，时任仙童半导体公司研发总监的戈登？摩尔撰写了一篇关于未来10年半导体AOZ1284PI芯片发展趋势的文章，大胆预测了当时芯片生产的技术能力和经济效益:

在成本最低的前提下，单个芯片上的组件数量基本上是每年的两倍。而且这种增长率至少在未来十年会保持，到1975年，65000个组件将集成在一个芯片上。

这一预测实际上是当时半导体行业惊人发展速度的真实写照。然而，摩尔本人后来将其描述为大胆的推断。然而，在半导体行业的不断变化中，这种推论已经被多次证实。同时，业内人士也在此基础上不断延伸。

虽然摩尔定律成功地指导了半导体产业的发展，但事实上，它从来都不是科学意义上的真正的定律。诚然，它描述了半导体行业在发展中取得的一系列令人印象深刻的成就，但它的预测更像是半导体行业的雄心目标或路线图。它被广泛使用的原因是芯片制造商出于经济原因——他们希望芯片的功能能够以负担得起的价格实现——而不是基于任何物理原理。

一个不断变化的常数

摩尔定律在过去50年中不断发展。摩尔最初对以最低成本制造复杂芯片的预测也被转化为各种表达方式。现在这条定律最常被描述为半导体芯片可以容纳的晶体管数量呈倍数增长。

这种速度随着行业和技术的进步而变化。1975年，摩尔修正了他的预测：晶体管的数量从前一年翻了一番到两年。尽管增长速度有所放缓，但摩尔定律作为半导体行业快速发展的基本指南仍然具有重要意义。

使芯片更小一些

摩尔认为，增加芯片面积、的三个重要因素是增加芯片面积，缩小元件尺寸，优化器件电路设计。

光刻技术和技术的发展在很大程度上促进了元件尺寸的缩小。在过去的几十年里，光刻技术的发展减少了曝光波长(UV光)，增加了投影物镜的数值孔径(NA)，同时引入了渗透光刻技术和多图形技术。

光刻技术的进步使得制造更小的芯片成为现实。芯片制造商可以在相同尺寸的晶圆上包装更多的晶体管，以提高芯片性能并保持较低的成本。在过去的40年里，半导体行业一直遵循摩尔定律。

摩尔定律的尽头

因此，摩尔定律已成为不断提高芯片性能和能效的同义词。然而，当芯片缩小到一定程度时，尺寸过小必然会影响晶体管的工作，从而打破尺寸、性能和功耗之间的平衡。

目前，2000年代中期，大多数芯片中使用的晶体管类型都接近这一临界点。尽管晶体管继续变小，但由此产生的芯片性能改善已逐渐放缓。

探索新的前进道路

然而，正如摩尔在1975年所说，制造更小的尺寸只是提高芯片性能的一种方法。在过去的几十年里，半导体行业通过巧妙地设计元件和电路——创新制造晶体管的材料和结构——提高了芯片性能。这种方法被称为设计缩放。例如，使用低介质常数材料等材料可以提高晶体管的电气性能。

与此同时，为了克服传统晶体管的尺寸限制，不断开发出新的晶体管结构。为此，行业引入finfets技术，将晶体管的栅极由平面结构改为立体结构。它也是第一个新的晶体管，称为3D晶体管。

尺寸和元件的缩放涉及晶体管本身的演变。近年来，通过系统层面的创新也实现了芯片性能的提高，即允许使用现有的晶体管技术进一步扩展。

实现这一目标的方法之一是在同一区域内制造多层闪存，以增加存储容量，通过集成处理器、存储器和辅助功能到芯片上的系统解决方案，以及3DNAND闪存。另一种选择是依靠先进的包装技术来集成更优化的功能模块。

未来的十年

在过去的15年里，这些创新的方法使摩尔定律保持有效和良好。从整个行业的发展路线来看，摩尔定律将在未来十年或更长时间内保持这一势头。

当然，就元器件而言，目前的技术创新足以将芯片制程推广到至少1纳米节点，包括gate-all-around FETs，nanosheet FETs，forksheet FETs，以及complementary FETs等前瞻性技术。此外，光刻系统分辨率的提高(预计每6年左右减少2倍)和边缘放置误差(EPE)也将进一步促进芯片尺寸缩小的实现。

作为半导体行业的领导者之一，ASML始终为行业提供创新支撑。我们的EPE路线图是全方位光刻技术的关键，这将通过不断完善光刻系统和开发应用产品(包括测量和检测系统)来实现。

此外，我们预计系统级扩张将发挥更大的作用:去年，存储器制造商生产了176个堆叠在存储层上的3DNAND芯片，并宣布芯片路线图将在2030年左右生产600多个存储层。如果说摩尔定律57年的历史向我们展示了什么，那就是半导体行业充满了新的发展思路。

摩尔定律将继续生效，只要我们还有想法！