文：井上伸雄、圖解體摩體藏本貴文
摩爾定律—半導體的半導半導微小化可持續到何時？
1965年，英特爾的爾定創始人之一──摩爾回顧了過去五年內單一晶片IC搭載的電晶體數目，發現每過一年，律年電晶體數會增加至原本的左右曾被兩倍。於是認為，摩爾就在雜誌上發表了相關文章，即將極限預測這個趨勢在未來應該會持續下去。達到到何
這就是持續著名的「摩爾定律」。摩爾發表這篇文章時，圖解體摩體一個晶片上約聚積了64個電晶體。半導半導他預測10年後的爾定1975年，一個晶片約可聚積約6萬5000個元件。律年
圖3－20為DRAM單一晶片的左右曾被電晶體數目變遷示意圖。在摩爾發現這個「定律」的認為時候（1965年），電晶體數目確實以一年增為兩倍的速度成長。不過，在這之後減緩到了兩年增為兩倍。所以後來摩爾自己也把摩爾定律修正成「兩年（24個月）倍增」。
Photo Credit: 台灣東販另外，如果晶片大小不變，卻希望晶片搭載的元件數目增加，那麼每個元件就必須做得比原本小才行，電路的線寬也得跟著變窄。
圖3－20顯示線寬（製程）有微小化的趨勢。最早的1kb DRAM於1970年誕生，線寬為10μm；相較於此，現在的線寬則僅有20nm。圖3－19中，MPU的電晶體數目也遵循著摩爾定律，隨時間增加。
這個摩爾定律是沒有理論根據的經驗法則，但在之後的40年內，每個晶片上搭載的電晶體數目都遵循著這個「定律」隨時間增加，使摩爾定律成為了半導體技術與業界的重要指引。
不過近年來，有不少人認為摩爾定律不久後就會失效，因為製程（線寬）的微小化已經接近極限。
在2020年時，商業產品中最小的製程為5nm，只有矽晶體之晶格常數（約0.5nm）的10倍。半導體元件由結晶構成，所以不可能做得比晶格常數還要小。
試著與微小物體比較後可以發現，一開始的半導體元件大約與細菌差不多大，現在的半導體元件則小到與病毒或DNA差不多大，如圖3－21。
以光蝕刻技術於矽晶刻上電路圖樣時，電路的寬度也會受到光波長的限制。此外，微小化後，元件的區隔也是個問題，要是閘極的氧化膜變得太薄，產生漏電流的話，會造成很大的麻煩。雖然有些問題在技術上可以解決，但花費的成本過高，難以商用化，其他解決方式也有層層阻礙。
Photo Credit: 台灣東販其實，摩爾定律曾在2000年左右就被認為即將達到極限，不過隨後出現了技術突破，使摩爾定律能夠維持下去。
譬如，在維持氧化膜厚度的情況下，增加閘極電容量的High-k絕緣體技術；減少配線電容量的Low-k介電質膜技術；在通道部分施加應力以提高實際電子移動率的技術；於曝光時以光罩控制光的相位，使光能刻出長度小於光波長的細微結構；在液體中曝光以縮短實際的光波長等等。多種技術陸續投入應用。
從16nm世代起導入的FinFET技術，是近年來相當重要的革新。過去平面型的MOSFET變成了三維結構，實現了微小化，如圖3－22所示。
Photo Credit: 台灣東販然而，隨著微小化產物愈來愈接近晶格常數，要進一步聚積元件，技術上就變得相當困難。不過，現在研究人員們也發現了或許能克服這些困難的技術。摩爾定律究竟能持續到何時呢？這個技術人員與物理極限之間的戰爭還會持續下去。
書籍介紹
本文摘錄自《圖解半導體：從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》，台灣東販出版
作者：井上伸雄、藏本貴文
譯者：陳朕疆
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責任編輯：朱家儀
核稿編輯：翁世航