近日，在2021 IEEE國際電子器件會議（IEDM）上，英特爾公布了在封裝、晶體管微縮、量子物理學方面的多項關鍵技術新突破，積極并布局非硅基半導體，可推動摩爾定律繼續(xù)發(fā)展，超越未來十年。

　　業(yè)內(nèi)人士分析，從此次英特爾憑借高調(diào)宣布的多項新技術突破，有望在未來幾年在先進工藝上領先于臺積電和三星。

　　日前，英特爾制造、供應鏈和營運集團副總裁、戰(zhàn)略規(guī)劃部聯(lián)席總經(jīng)理盧東暉對媒體詳細解讀了此次的多項技術突破。他在會上感言，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，要帶多少補給。

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

　　盧東暉強調(diào)，這次英特爾在IEDM上發(fā)的文章都有一個主要的基體，就是大部分的技術都是基于300毫米硅晶圓的傳統(tǒng)CMOS技術，這是非常關鍵的。因為產(chǎn)生一個新的想法很簡單，很多大學都在做，而工業(yè)界最大的問題就是能不能大批量生產(chǎn)，不能說重新起爐灶弄一個第四代半導體，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，成本太高還是沒人買。摩爾定律是一個經(jīng)濟定律，任何一個新技術如果不能達到讓你的用戶能夠負擔得起，那最后的應用只能是一些非常有限的應用。全世界現(xiàn)在大概有上萬億美元的投資都是在12寸晶圓設備、生態(tài)系統(tǒng)，需要把這些利用起來，這樣制造成本才能下降。

　　在本次的IEDM 2021上英特爾重點介紹了這三個關鍵研究領域的最新突破及探索，披露的突破性進展表明，英特爾正通過對這三個領域的探索，持續(xù)推進摩爾定律，并將其延續(xù)至2025年及更遠的未來。

　　領域一：微縮技術新突破

　　據(jù)盧東暉介紹，微縮技術，傳統(tǒng)叫transistor scaling，就是把晶體管面積變小。微縮技術是很簡單的，有很多辦法可以采用，比如全新的晶體管設計，或者是光刻技術的突破，或者用先進封裝。以前二維的平面微縮，現(xiàn)在二維不能再縮，再縮就會有很多量子效應出現(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的三個主要突破：

　　突破一：互連密度提升10倍以上混合鍵合互連設計

　　英特爾的研究人員提出了混合鍵合互連中的設計、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線上發(fā)布會中，英特爾宣布計劃推出Foveros Direct，以實現(xiàn)10微米以下的凸點間距，使3D堆疊的互連密度提高一個數(shù)量級。為了使生態(tài)系統(tǒng)能從先進封裝中獲益，英特爾還呼吁建立新的行業(yè)標準和測試程序，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，傳統(tǒng)技術（SolderAttach）是通過焊錫將兩個芯片進行連接，英特爾在研究的混合鍵成技術是讓金屬墊直接接觸，這樣會產(chǎn)生分子鍵合?！八畲蟮暮锰幨沁B接的密度會急劇提升，至少是10倍的。這會讓每平方毫米達到有10000個連接，這是非常緊密的。以后的芯片上會有幾十億的晶體管，或者幾百億的晶體管，最后都要連起來，所以這是非常關鍵的突破。”盧東暉說道。

　　盧東暉指出，這項技術的制程非常敏感，需要用機械拋光磨平表面，因此化學機械拋光（SNP）和沉積的優(yōu)化是非常關鍵的。此外，也需要行業(yè)統(tǒng)一的標準和測試程序。

　　突破二：GAA進一步縮小3倍

　　晶體管剛開始是二維的形式，后來變成FinFET，就是變成三維封裝，再后來變成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，這樣相當于面積減少了一半，面積利用率提高，微縮技術達到了面積減少一半的要求。

　　展望其GAA RibbonFET（Gate-All-Around RibbonFET）技術，英特爾正引領著即將到來的后FinFET時代，通過堆疊多個（CMOS）晶體管，實現(xiàn)高達30%至50%的邏輯微縮提升，通過在每平方毫米上容納更多晶體管，以繼續(xù)推進摩爾定律的發(fā)展。

　　英特爾在論文中宣布了這項技術在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，再將上面一層翻過來再做另外一層晶圓，這樣能夠有效提高性能；方法二是自對準，一種是通過光刻機對準，另一種叫做自我對準，要通過干蝕或者是沉積手段讓晶圓自動對準。英特爾的自對準實現(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突破硅的限制。因為現(xiàn)在電流的通道是用硅的基礎，而這個是用二維材料TMD（過渡金屬硫化物），它有一個非常好的特點是在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。因為硅的問題是無法繼續(xù)往下縮，因為再往下縮很多量子效應出現(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做出來了，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。

　　這些背后都是大量的研究，過渡金屬有幾十種，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：進入埃米時代

　　英特爾同時也在為摩爾定律進入埃米時代鋪平道路，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)個原子厚度的新型材料制造晶體管，從而實現(xiàn)在每個芯片上增加數(shù)百萬晶體管數(shù)量。在接下來的十年，實現(xiàn)更強大的計算。

　　領域二：為傳統(tǒng)硅注入新功能

　　盧東暉告訴媒體，因為硅做功率器件是不太合適的，尤其是要硅基CMOS要應用到汽車或者需要的高壓器件電子設備，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，因為當下需要的數(shù)據(jù)量、產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量越來越大，比如手機上拍個照片，現(xiàn)在文件的大小與十年前相比超過很多倍了，所以結(jié)果需要的存儲量越來越大，存儲量越來越大需要的處理能力越來越高，而新材料的突破是迫在眉睫的。

　　在該領域，英特爾本次披露了兩大技術突破

　　1. 首次將氮化鎵與硅集成在一起

　　通過在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，實現(xiàn)了更高效的電源技術。這為CPU提供低損耗、高速電能傳輸創(chuàng)造了條件，同時也減少了主板組件和空間。

　　現(xiàn)在的功率器件GaN在國內(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，因為以前沒有人在硅晶圓做過，很多人可能直接用GaN wafer，但這個成本很高。英特爾這次的GaN直接跟傳統(tǒng)的硅晶圓集成在一起，這在以前是沒有出現(xiàn)過的。

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

　　2. 新型鐵電體材料

　　另一項進展是利用新型鐵電體材料作為下一代嵌入式DRAM技術的可行方案。該項業(yè)界領先技術可提供更大內(nèi)存資源和低時延讀寫能力，用于解決從游戲到人工智能等計算應用所面臨的日益復雜的問題。

　　鐵電存儲它是用了一個新的存儲器，用了一個新的技術實現(xiàn)了2納秒的讀寫速度和超過1012次方的讀寫周期，這個是非常了不起的技術成就。

　　鐵電存儲器國內(nèi)也有很多公司在關注，這完全是跟傳統(tǒng)的CMOS工藝結(jié)合的。英特爾做這個東西有非常大的優(yōu)勢，因為英特爾有自己的X86架構(gòu)，由于具有2納秒的高速讀/寫能力，鐵電存儲器可以用來作為從L1 Cache到DRMA之間的中間層。

　　領域三：量子芯片走向室溫

　　英特爾正致力于大幅提升硅基半導體的量子計算性能，同時也在開發(fā)能在室溫下進行高效、低功耗計算的新型器件。未來，基于全新物理學概念衍生出的技術將逐步取代傳統(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。英特爾和比利時微電子研究中心（IMEC）在自旋電子材料研究方面取得進展，使器件集成研究接近實現(xiàn)自旋電子器件的全面實用化。英特爾還展示了完整的300毫米量子比特制程工藝流程。該量子計算工藝不僅可持續(xù)微縮，且與CMOS制造兼容，這確定了未來研究的方向。