近日，在2021 IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議（IEDM）上，英特爾公布了在封裝,、晶體管微縮,、量子物理學(xué)方面的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)新突破，積極并布局非硅基半導(dǎo)體,，可推動(dòng)摩爾定律繼續(xù)發(fā)展,，超越未來(lái)十年。

　　業(yè)內(nèi)人士分析,，從此次英特爾憑借高調(diào)宣布的多項(xiàng)新技術(shù)突破,，有望在未來(lái)幾年在先進(jìn)工藝上領(lǐng)先于臺(tái)積電和三星。

　　日前,，英特爾制造,、供應(yīng)鏈和營(yíng)運(yùn)集團(tuán)副總裁、戰(zhàn)略規(guī)劃部聯(lián)席總經(jīng)理盧東暉對(duì)媒體詳細(xì)解讀了此次的多項(xiàng)技術(shù)突破,。他在會(huì)上感言,，研究中最難的就是探路，就好比爬山的人一眼能夠看到山頂在哪里,，但是不清楚路該怎么走,，要帶多少補(bǔ)給,。

　　盧東暉表示這些全新技術(shù)是有英特爾的組件研究團(tuán)隊(duì)所研制,，眾多突破摩爾定律昔日壁壘并出現(xiàn)在當(dāng)前產(chǎn)品中的創(chuàng)新技術(shù)，都源自于該組件研究團(tuán)隊(duì)的研究工作,，比如：應(yīng)變硅,、高K-金屬柵極技術(shù)、FinFET晶體管,、RibbonFET,，以及包括EMIB和FoverosDirect在內(nèi)的封裝技術(shù)創(chuàng)新。

　　盧東暉強(qiáng)調(diào),，這次英特爾在IEDM上發(fā)的文章都有一個(gè)主要的基體,，就是大部分的技術(shù)都是基于300毫米硅晶圓的傳統(tǒng)CMOS技術(shù)，這是非常關(guān)鍵的,。因?yàn)楫a(chǎn)生一個(gè)新的想法很簡(jiǎn)單,，很多大學(xué)都在做，而工業(yè)界最大的問(wèn)題就是能不能大批量生產(chǎn),，不能說(shuō)重新起爐灶弄一個(gè)第四代半導(dǎo)體,，最好的辦法就是用現(xiàn)有已經(jīng)投入的固定資產(chǎn)，能夠盡快地把這些資產(chǎn)優(yōu)化,，不然成本太高,，成本太高還是沒(méi)人買。摩爾定律是一個(gè)經(jīng)濟(jì)定律，任何一個(gè)新技術(shù)如果不能達(dá)到讓你的用戶能夠負(fù)擔(dān)得起,，那最后的應(yīng)用只能是一些非常有限的應(yīng)用,。全世界現(xiàn)在大概有上萬(wàn)億美元的投資都是在12寸晶圓設(shè)備、生態(tài)系統(tǒng),，需要把這些利用起來(lái),，這樣制造成本才能下降。

　　在本次的IEDM 2021上英特爾重點(diǎn)介紹了這三個(gè)關(guān)鍵研究領(lǐng)域的最新突破及探索,，披露的突破性進(jìn)展表明,，英特爾正通過(guò)對(duì)這三個(gè)領(lǐng)域的探索，持續(xù)推進(jìn)摩爾定律,，并將其延續(xù)至2025年及更遠(yuǎn)的未來(lái),。

　　領(lǐng)域一：微縮技術(shù)新突破

　　據(jù)盧東暉介紹，微縮技術(shù),，傳統(tǒng)叫transistor scaling,，就是把晶體管面積變小。微縮技術(shù)是很簡(jiǎn)單的,，有很多辦法可以采用,，比如全新的晶體管設(shè)計(jì)，或者是光刻技術(shù)的突破,，或者用先進(jìn)封裝,。以前二維的平面微縮，現(xiàn)在二維不能再縮,，再縮就會(huì)有很多量子效應(yīng)出現(xiàn),，所以現(xiàn)在就往上堆，早年3D NAND就是一直往上堆,，這也是比較直觀的理解,。此次IEDM 2021，英特爾介紹了微縮技術(shù)的三個(gè)主要突破：

　　突破一：互連密度提升10倍以上混合鍵合互連設(shè)計(jì)

　　英特爾的研究人員提出了混合鍵合互連中的設(shè)計(jì),、制程工藝和組裝難題的解決方案,，期望能在封裝中將互連密度提升10倍以上。在今年7月的英特爾加速創(chuàng)新：制程工藝和封裝技術(shù)線上發(fā)布會(huì)中,，英特爾宣布計(jì)劃推出Foveros Direct,，以實(shí)現(xiàn)10微米以下的凸點(diǎn)間距，使3D堆疊的互連密度提高一個(gè)數(shù)量級(jí),。為了使生態(tài)系統(tǒng)能從先進(jìn)封裝中獲益,，英特爾還呼吁建立新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試程序，讓混合鍵合芯粒（hybrid bonding chiplet）生態(tài)系統(tǒng)成為可能,。

　　盧東暉解釋說(shuō),，傳統(tǒng)技術(shù)（SolderAttach）是通過(guò)焊錫將兩個(gè)芯片進(jìn)行連接,，英特爾在研究的混合鍵成技術(shù)是讓金屬墊直接接觸，這樣會(huì)產(chǎn)生分子鍵合,?！八畲蟮暮锰幨沁B接的密度會(huì)急劇提升，至少是10倍的,。這會(huì)讓每平方毫米達(dá)到有10000個(gè)連接,，這是非常緊密的。以后的芯片上會(huì)有幾十億的晶體管,，或者幾百億的晶體管,，最后都要連起來(lái)，所以這是非常關(guān)鍵的突破,?！北R東暉說(shuō)道。

　　盧東暉指出,，這項(xiàng)技術(shù)的制程非常敏感,，需要用機(jī)械拋光磨平表面，因此化學(xué)機(jī)械拋光（SNP）和沉積的優(yōu)化是非常關(guān)鍵的,。此外,，也需要行業(yè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試程序。

　　突破二：GAA進(jìn)一步縮小3倍

　　晶體管剛開(kāi)始是二維的形式,，后來(lái)變成FinFET,，就是變成三維封裝，再后來(lái)變成GAA,，就是把NMOS疊在左邊,，PMOS疊在右邊,，往上疊了幾層,，而3D就是直接把NMOS和PMOS直接疊在一起，這樣相當(dāng)于面積減少了一半,，面積利用率提高,，微縮技術(shù)達(dá)到了面積減少一半的要求。

　　展望其GAA RibbonFET（Gate-All-Around RibbonFET）技術(shù),，英特爾正引領(lǐng)著即將到來(lái)的后FinFET時(shí)代,，通過(guò)堆疊多個(gè)（CMOS）晶體管，實(shí)現(xiàn)高達(dá)30%至50%的邏輯微縮提升,，通過(guò)在每平方毫米上容納更多晶體管,，以繼續(xù)推進(jìn)摩爾定律的發(fā)展。

　　英特爾在論文中宣布了這項(xiàng)技術(shù)在3D CMOS堆疊上的新突破,，共有兩種方法,。方法一是依序,，具體的工藝流程是將下面一層晶圓先做好，再將上面一層翻過(guò)來(lái)再做另外一層晶圓,，這樣能夠有效提高性能,；方法二是自對(duì)準(zhǔn)，一種是通過(guò)光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn),，另一種叫做自我對(duì)準(zhǔn),，要通過(guò)干蝕或者是沉積手段讓晶圓自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。英特爾的自對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了55納米的柵極間距,，盧東暉稱“這是非常了不起的突破”,。

　　英特爾引入了金屬銻和釕來(lái)突破硅的限制。因?yàn)楝F(xiàn)在電流的通道是用硅的基礎(chǔ),，而這個(gè)是用二維材料TMD（過(guò)渡金屬硫化物）,，它有一個(gè)非常好的特點(diǎn)是在Gate下面有一層非常薄的，單層的二硫化物原子層,，可以作為更短的通道,。因?yàn)楣璧膯?wèn)題是無(wú)法繼續(xù)往下縮，因?yàn)樵偻驴s很多量子效應(yīng)出現(xiàn),，但二維材料有自己本身的特質(zhì),，所以可以做得非常小。最大的突破不光是這個(gè)做出來(lái)了,，而是用兩種不同的金屬去做金屬接觸,，在源極和漏極，NMOS用的是銻,，PMOS用的是釕,，這樣能讓電容比較小一點(diǎn)。

　　這些背后都是大量的研究,，過(guò)渡金屬有幾十種,，如何知道這兩種是比較好的，這是需要花很多時(shí)間,、材料,、精力去做，而把GAA一下子縮小3倍,，從15納米變成5納米,，這是非常了不起的。

　　突破三：進(jìn)入埃米時(shí)代

　　英特爾同時(shí)也在為摩爾定律進(jìn)入埃米時(shí)代鋪平道路,，其前瞻性的研究展示了英特爾是如何克服傳統(tǒng)硅通道限制,，用僅有數(shù)個(gè)原子厚度的新型材料制造晶體管，從而實(shí)現(xiàn)在每個(gè)芯片上增加數(shù)百萬(wàn)晶體管數(shù)量,。在接下來(lái)的十年,，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的計(jì)算,。

　　領(lǐng)域二：為傳統(tǒng)硅注入新功能

　　盧東暉告訴媒體，因?yàn)楣枳龉β势骷遣惶线m的,，尤其是要硅基CMOS要應(yīng)用到汽車或者需要的高壓器件電子設(shè)備,，這就得想辦法為硅注入一些新的功能。另外就是更最大的內(nèi)存資源,，因?yàn)楫?dāng)下需要的數(shù)據(jù)量,、產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，比如手機(jī)上拍個(gè)照片,，現(xiàn)在文件的大小與十年前相比超過(guò)很多倍了,，所以結(jié)果需要的存儲(chǔ)量越來(lái)越大，存儲(chǔ)量越來(lái)越大需要的處理能力越來(lái)越高,，而新材料的突破是迫在眉睫的,。

　　在該領(lǐng)域，英特爾本次披露了兩大技術(shù)突破

　　1. 首次將氮化鎵與硅集成在一起

　　通過(guò)在300毫米的晶圓上首次集成氮化鎵基（GaN-based）功率器件與硅基CMOS,，實(shí)現(xiàn)了更高效的電源技術(shù),。這為CPU提供低損耗、高速電能傳輸創(chuàng)造了條件,，同時(shí)也減少了主板組件和空間,。

　　現(xiàn)在的功率器件GaN在國(guó)內(nèi)也比較熱，它可以直接做出70伏的晶體管,，這是硅做不到的,。英特爾這次也是首次集成，因?yàn)橐郧皼](méi)有人在硅晶圓做過(guò),，很多人可能直接用GaN wafer,，但這個(gè)成本很高。英特爾這次的GaN直接跟傳統(tǒng)的硅晶圓集成在一起,，這在以前是沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的,。

　　硅基CMOS集成有兩個(gè)突破：一個(gè)是用硅晶圓上面放一個(gè)buffer，buffer更外面就是用的氧化硅的,。在這樣的情況下,，它其實(shí)不需要硅晶圓，只要有載體就行,。在硅片上，所有的基材不需要特制的基材,。另外一個(gè)是驗(yàn)證了300毫米工藝兼容可行性,。盧東暉特別強(qiáng)調(diào)半導(dǎo)體一定要從這個(gè)方面著手，因?yàn)楣I(yè)界在300毫米投入資金和生態(tài)鏈已經(jīng)太強(qiáng)大了,，最好不要突破它,，突破它成本會(huì)很高,。

　　2. 新型鐵電體材料

　　另一項(xiàng)進(jìn)展是利用新型鐵電體材料作為下一代嵌入式DRAM技術(shù)的可行方案。該項(xiàng)業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)可提供更大內(nèi)存資源和低時(shí)延讀寫能力,，用于解決從游戲到人工智能等計(jì)算應(yīng)用所面臨的日益復(fù)雜的問(wèn)題,。

　　鐵電存儲(chǔ)它是用了一個(gè)新的存儲(chǔ)器，用了一個(gè)新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了2納秒的讀寫速度和超過(guò)1012次方的讀寫周期,，這個(gè)是非常了不起的技術(shù)成就,。

　　鐵電存儲(chǔ)器國(guó)內(nèi)也有很多公司在關(guān)注，這完全是跟傳統(tǒng)的CMOS工藝結(jié)合的,。英特爾做這個(gè)東西有非常大的優(yōu)勢(shì),，因?yàn)橛⑻貭栍凶约旱腦86架構(gòu)，由于具有2納秒的高速讀/寫能力,，鐵電存儲(chǔ)器可以用來(lái)作為從L1 Cache到DRMA之間的中間層,。

　　領(lǐng)域三：量子芯片走向室溫

　　英特爾正致力于大幅提升硅基半導(dǎo)體的量子計(jì)算性能，同時(shí)也在開(kāi)發(fā)能在室溫下進(jìn)行高效,、低功耗計(jì)算的新型器件,。未來(lái)，基于全新物理學(xué)概念衍生出的技術(shù)將逐步取代傳統(tǒng)的MOSFET晶體管：

　　在IEDM 2021上,，英特爾展示了全球首例常溫磁電自旋軌道（MESO）邏輯器件,，這表明未來(lái)有可能基于納米尺度的磁體器件制造出新型晶體管。英特爾和比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）在自旋電子材料研究方面取得進(jìn)展,，使器件集成研究接近實(shí)現(xiàn)自旋電子器件的全面實(shí)用化,。英特爾還展示了完整的300毫米量子比特制程工藝流程。該量子計(jì)算工藝不僅可持續(xù)微縮,，且與CMOS制造兼容,，這確定了未來(lái)研究的方向。