[原创] 用尽元素周期表，能否将半导体微缩坚持到底？
2021-12-26
14:00:38
来源: 半导体行业观察
半导体微缩的过程就是不断采用新技术、新材料、新思路，英特尔在IEDM 2021上发表了多篇关于半导体微缩的技术文章，英特尔可以说是把元素周期表的元素用得差不多了，这足以体现英特尔想在2025年左右重回制程技术领先位置的决心。
一块计算机芯片之旅始于设计，第一步，由芯片架构师，逻辑设计师和电路设计师利用计算机绘制图纸（蓝图）。第二步光罩制作，工程师把电子版蓝图转换成被称为“光罩”的玻璃模板，以用于光刻制造。第三步制造，身穿洁净室防尘服的技术人员使用众多机器，在硅晶圆上创建电路和器件层，每个晶圆将包含数百个芯片。第四步晶片分拣，晶圆成品被切割成晶片（或计算机芯片），并放在卷轴上。第五步封装测试，技术人员对每个晶片进行最终测试，然后将它们安装到散热片和基板之间，形成一个光滑、封闭的封装。第六步，专业物流人员把芯片运送给客户或全球分销中心，然后再由他们交付给制造商，或放进包装盒里直接
现在，大规模制造所需要的最先进的逻辑电路制造技术，可能要在工厂里待5个多月，经历2000多道工序，芯片制造越来越复杂。在芯片的整个过程中，
工艺制程和封装的作用越来越凸显。
每个新制程节点可能带来：一，更高的组件密度，这使得现有功能模块（IP）占用更小的芯片面积，也能为更好的芯片提供诸多选项，包括通过IP倍增，获得更高的吞吐量，增加新的IP来获取新特性和功能、缩小整体芯片，降低成本。二，能效更高、更快速的运算。三，更高的动态范围，提高空闲时的能效，提高满负荷的最大速度。“
对于真正从事这个行业的人而言，制程节点的重要性是因为它可以带来可预测性。摩尔定律是一个经济定律，但是基本上它是让整个工业界有一个前进的方向。”
英特尔制造、供应链和营运集团副总裁、战略规划部联席总经理卢东晖博士如是说。
以前传统的封装只是在芯片装完之后起到保护（防尘防水）和连接的功能，正如右侧的英特尔处理器示意图所示，中间是裸片，它会被固定到基板（左侧），并被散热片覆盖(右侧)，这个封闭的结构称作“封装”。它把晶片上微米大小的功能模块连接到计算机主板上毫米大小的功能模块，保护晶片不被污染、为晶片散热和供电，并且逐渐以全新的方式整合多个晶片。
但现在芯片的功能越来越多，
现在封装起到一个重新架构的作用。
因为现在芯片的功能越来越多，仅集成在一个芯片上的成本非常高，里面有一些功能模块不需要更新制程，有些功能模块需要非常高的先进制程，所以最好的办法是把不同的功能模块根据它自身技术分开，然后用封装手段把它封装在一起，这样可以利用局部优化，来达到在封装层面上重新架构。对用户而言，用户体验是一样的，因为封装对他来说还只是一个芯片，但是对于制造商而言，这样可以更加优化成本，也可以更加优化电路设计。
封装确保了芯片设计不要局限于必须只用一种制程技术，而且可以给客户提供更大的定制化要求
。
现在新建一个晶圆厂大约需要100-150亿美元，如果一个工厂有3万多平米，这个工厂就相当于6个橄榄球球场面积。一个晶圆厂通常能创造的关于建造、高科技和支持性工作岗位数量有12000个。全球半导体行业去年的营收是4400亿美元，而Gartner预测到2030年大概会增加到1万亿美元。这些足以显示出芯片的重要性。
在英特尔的工艺制程和先进封装的路上，有一群坚实的探路者，他们就是
英特尔组件研究团队，英文名字是Component research
，这个团队负责革命性、前瞻性的制程工艺跟封装技术方案，来推进摩尔定律。他们在与外部建立合作关系的同时也建立了紧密地内部合作关系。
英特尔在2021年发布了一个简单清晰的制程节点命名体系，不再指代纳米节点。新名称包括Intel 7、Intel 4、Intel 3 和 Intel 20A。Intel 20A将开启芯片的埃米时代。这些新工艺所使用的先进技术，在很多年前英特尔的组件研究团队就已经在进行研究，组件研究团队并不会把整个制程工艺流程研究出来，但是最关键的单独组件都是由这个部门研发出来的。持续创新是保持摩尔定律活力的基石。
而现在，英特尔将从三个关键研究领域，为更强大的计算铺平清晰的道路并探索多种可能。一个是至关重要的
微缩技术
（transistor scaling），这里面要做的工作是进行全新的晶体管设计，在光刻技术上突破，对先进封装的研究。第二是
为硅注入新功能
，因为硅做功率器件是不太合适的，尤其是要硅基CMOS要应用到汽车或者需要的高压器件电子设备，这就得想办法为硅注入一些新的功能；还需要满足更大的内存资源；新材料的突破也是迫在眉睫。第三是
探索物理学的新概念
，物理学新概念包括探索全新的功率器件，以此来建立一个全新的电路模型。
“摩尔定律是一个经济定律，产生一个新想法很简单，学术界和工业界都在进行不同技术上的探索，但最大的问题是不能大批量生产，任何一个新技术如果不能让你的客户负担得起，那么最后的应用只能是非常有限。所以最好的办法就是利用现有已经投入的固定资产，尽快地把这些资产优化。全球现在大约花费上万亿美元的投资在12英寸晶圆设备、生态系统上，需要把这些资源利用起来，降低制造成本。”卢东晖博士表示。本次英特尔在IEDM上发表的大部分技术文章都是基于300毫米硅晶圆的传统CMOS技术。
在今年的IEDM上，英特尔发布了上述三个关键方向的突破：
第一关于
微缩技术
，英特尔发表了三篇文章，一篇是关于HBI（Hybrid Bonding Interconnect），如下图a）所示，达到了超过10倍互联密度提升；另外一篇是3D CMOS，如下图b）所示，提高了30%-50%的面积利用率；第三篇是利用二维材料改进单原子层晶体管。
图a) Paper #34-3 ：在Intel进程上启用Hybrid Bonding（图源：英特尔）
卢东晖博士也对这些技术做了详细的讲解，如上图a）所示，左边是目前主流的，比较传统的技术，比如焊锡连接，两个芯片连接是在铜上放一层锡，然后加热，这种方式最大的缺点是密度比较低，尺寸比较大。右边的是Hybrid Bonding，它利用的是材料学原理，也就是说铜的表面如果直接这样接触，中间是一个不导绝缘的介质，表面处理好之后，如果只是物理上把它放在一起，它会产生分子键合，这是非常好的结合。如果说它完全对整的话，就完全看不出来它其实是粘在一起的，这是在分子面的结合，所以叫Hybrid Bonding。它最大的好处是连接的密度能达到至少10倍的提升。不过因为它的制程非常敏感，就需要这个表面非常平，要用机械抛光把它磨平，所以化学机械抛光（SNP）和沉积的优化是非常关键的。
另外该技术也发现了很多问题，在直接连上以后，因为中间电流密度增加了很多，这会给下面的电路造成影响。所以这些互连的设计也要重新优化，封装要优化，这是一整套系统工程。
图b)通过3D CMOS实现30%至50%的面积提升（图源：英特尔）
现在纳米带（GAA）的NMOS和PMOS是左右并排放的，这篇论文讲的就是如何把NMOS和PMOS互相叠起来，将面积缩小一倍。叠起来的方法有两种，一种叫依序，先把下面那层的晶圆做好，上面一层翻过来再做另外一层，所以是由两片晶圆做的依序，这样也能达到创记录的性能；另外一种是直接在一片晶圆上做，采用自对准的方式，英特尔用自对准实现了55纳米的栅极间距，这是非常了不起的突破。这两种方法各有利弊，第一个成本较高，第二个制造工序较复杂。这两个都说明了英特尔探路的意义，具体落地要采用哪种，要深刻的找出其优缺点所在。
2D材料可用于制作更短的通道，并克服硅的微缩限制，比如Transition Metal Dichalcogenides [TMD] 过渡金属硫化物这种二维材料，它的特点是在Gate下面有一层非常薄的，单层的二硫化物原子层，可以作为更短的通道。英特尔在二维材料上的最大突破不光是这个做出来了，而是用两种不同的金属去做金属接触，在源极和漏极，NMOS用的是锑(Sb)，PMOS用的是钌(Ru)，这样能让电容比较小。这些背后都是英特尔经过了大量的研究，从几十种过渡金属中得出这两种金属比较好，而且通过二维材料，GAA一下子缩小3倍，从15纳米变成5纳米，这是非常了不起的。
第二是
为硅注入新功能
。在功率领域，英
特尔在300毫米的硅晶圆上首次集成氮化镓基（GaN-based）功率器件
，验证了300毫米工艺兼容可行性，更适配高电压应用，增加了功能，提升了大规模制造可能性，卢东晖博士表示其离实际应用已经不远了。另外一个是内存领域的突破，
英特尔利用铁电存储器 (FeRAM)达到了创纪录的实现了2纳秒的读写速度和超过1012次方的读写周期，
这也是完全跟传统的CMOS工艺结合的，英特尔进行这方面的研究有很大的优势，因为英特尔有自己的X86架构，任何内存的东西必须要和CPU一起共同优化，不能自已单独作用。
第三是
物理学新概念，拥抱量子领域
。这方面也有三项技术研究，一个是首次在室温下实现磁电自旋轨道（MESO）逻辑器件的实验；再一个，和IEMC合作首次演示了一种利用磁畴壁位移来实现逻辑和内存功能的自旋扭矩器件，与目前使用的布尔门（Boolean gates）相
比，这项研究可以带来更有效的构建、更紧凑的电路设计；最后这项突破将对量子计算技术的微缩有革命性的意义，首次达到了与300毫米CMOS制造兼容的完整的量子比特制造工艺流程，这将加速量子计算技术的微缩，这表示以后的量子制造工艺成熟之后，可以直接在现有的晶圆厂直接改造，不需要建一个几十亿美元的工厂。
“当成为业界老大后，最难的就是要自己探路，大家都知道山顶在哪儿，但不知道路怎么走，所以需要自己去探路，而且还不止是一条路，老大的难题就是如何持续领先。”卢东晖博士坦言，到RibbonFET这个阶段，也是2024年及之后，英特尔会重新夺回制程技术的领先者地位。
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