芯東西（公眾號：aichip001）

作者 |  

高歌

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Panken

芯東西12月14日報道，今天，英特爾製造、供應鏈和營運集團副總裁兼戰略規劃部聯席總經理盧東暉向芯東西等媒體詳細解讀了英特爾在今年IEEE國際電子器件會議（IEDM）上釋出的8篇論文。

這是英特爾首次在這一學術會議上釋出如此數量的論文，據盧東暉分享，本次英特爾釋出的很多新研究特點是基於當前的晶片製造工藝，之後有應用於現有的產線的可能，對英特爾IDM 2。0戰略有著重要意義。

本次在IEDM會議上發表論文的是英特爾元件研究部門，這是英特爾專注於前沿研發的部門，被稱作“英特爾技術研發部門中的研究團隊”，其發表的論文主要集中在電晶體微縮技術、在功率器件和記憶體方面基於新材料的研究和量子計算器件3個領域。

▲英特爾在IEDM 2021上的研究突破

一、新互連技術提升10倍密度，3D CMOS堆疊降低50%芯片面積

對於先進製程的演進，盧東暉將其比作爬山，人們知道山頂在哪裡，但是不清楚路在哪裡，也不確定自己到底能否登頂、會花費多少時間，這都是行業領先者需要考慮的問題。

摩爾定律成為了推動行業不斷投入研發的重要原因，而且這一定律對產業界合作也起到了關鍵作用。此前，晶片製造、材料、裝置廠商產品迭代時間並不一致，產品迭代較為混亂，整個產業鏈合作效率較低。

摩爾定律則在一定程度上成為了晶片產業鏈的路線圖，上下游廠商可以在相近的時間節點進行產品迭代，使行業合作效率更高。

同時，更高的元件密度能夠讓晶片實現更高的吞吐量、增加新的特性和功能、降低成本、提高能效等。盧東暉以3D NAND快閃記憶體為例強調了晶片製程代差對於企業的重要，他提到領先兩代的產品以30%的良率進行生產，其成本就要低於90%良率生產的落後產品，更高的製程代差甚至出現“在月球造都要更便宜”的現象。

具體到本次釋出的論文，英特爾在電晶體微縮領域的研究突破主要為封裝中互連密度的提升、3D堆疊的CMOS電晶體結構和新的2D材料。

在封裝互連密度的研究中，英特爾研究團隊實現了銅對銅的近單片式互連。新的互連方式比焊錫密度高10倍，使垂直互連金屬層電容低5倍。

不過這對錶面平整度要求更高，需要廠商對化學機械拋光和沉積工序進行最佳化，保持介電層的平面行和減少翹曲，並要有行業統一的標準和測試程式作為支撐。

▲新互連技術展示

在電晶體結構上，英特爾實現了3D CMOS的堆疊，透過將源極和漏極直接堆疊的方式，降低了30%-50%的芯片面積。

盧東暉稱，這有兩種不同的實現方式，一種是依序，即上下層晶圓依序堆疊加工；另一種則是自對準，即上下層晶圓對準後同時進行架構，能夠將柵極間距縮減至55nm。

在盧東暉個人看來，3D CMOS堆疊結構可能會在GAA（全環繞柵極）之後被用於先進製程晶片生產。

▲3D CMOS堆疊技術展示

在新材料方面，英特爾發現了一種TMD（過渡金屬硫化物），這是一種2D材料，其單層結構僅有數個原子厚度，能夠克服矽半導體在縮減到一定規模後出現的量子隧穿問題。

在論文中，英特爾使用銻（Sb）和釕（Ru）兩種金屬作為NMOS兩級，使其間距從15nm縮減至5nm。盧東暉稱，這種新材料可用於矽基材上，構建新的晶片結構，實現高效能異構。

▲2D新材料展示

二、在300mm晶圓上整合氮化鎵器件，鐵電儲存實現2納秒讀寫速度

在功率器件方面，英特爾首次在300mm（12英寸）矽晶圓上和矽基CMOS集成了氮化鎵（GaN）功率器件。

盧東暉稱，該研究驗證了氮化鎵器件和300mm工藝相容的可行性，提升了氮化鎵器件在現有晶圓廠機臺上進行大規模生產的可能。

當前氮化鎵器件往往基於8英寸以下的晶圓製造，其成本較高。而這項研究將對第三代半導體的大規模製造起到重要的作用，擴大其應用範圍與規模。

此外，英特爾還實現了一眾鐵電儲存器（FeRAM），具有2納秒的讀/寫能力。

▲英特爾功率器件和記憶體上的研究進展

三、實現首次室溫量子邏輯器件實驗，用矽工藝造量子位元

在量子領域，英特爾的研究也有所突破。

當前量子計算有超導、光電、矽基晶片等不同的實現路徑，由於超導方式對量子位元的操控性較好、可擴充套件性較強，谷歌、中科院團隊等都採用了這一方案。但是由於超導需要超低溫（達到或接近絕對零度）的環境，使其應用具有一定難度。

英特爾則採用了矽基晶片的方式來實現量子計算。本次IEDM會議上，英特爾展示了全球首次在室溫環境下實現了磁電自旋軌道（MESO）邏輯器件的實驗。

在奈米尺度下，英特爾研究團隊透過磁體的自旋電流實現晶片讀入功能，透過電磁轉換實現寫入功能，展現了基於奈米尺度的磁體器件電晶體可能性。

此外，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了進展，雙方合作研發了自旋扭矩多柵極（STMG）結構，可以透過磁疇壁位移實現邏輯和記憶體功能。

最後，英特爾還展示了完整的300mm量子比特製程工藝流程。值得注意的是，該量子計算工藝與當前的300mm CMOS製造工藝相容，擴充套件了量子計算晶片大規模製造的可能。

▲英特爾量子領域研究進展

結語：英特爾三大領域研究進展宣告競爭決心

在今年的IEDM會議上，英特爾為我們展示了其在製造工藝上的前沿技術，相比很多基礎研究，這些技術更注重在實際工藝產線中的生產，體現了英特爾的研發實力。

自英特爾CEO帕特·基辛格提出IDM 2。0戰略以來，英特爾也高調宣佈將重拾晶片製造領導地位，本次的各項新研究則揭露了英特爾高調宣傳背後的技術研發實力。未來晶圓製程競爭恐更加激烈。

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