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來(lái)源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察 在英特爾內(nèi)部有這樣一個(gè)組織，他們致力于前沿技術(shù)的研發(fā)，應(yīng)變硅、Hi-K金屬柵極、FinFET等技術(shù)均是出自他們之手。他們就是——英特爾組件研究團(tuán)隊(duì)，是英特爾技術(shù)開發(fā)（Technology Development, TD）部門內(nèi)的一個(gè)研究組織。在摩爾定律即將走到極限的時(shí)刻，這個(gè)組織又在進(jìn)行哪些研究？ 作為IEDM的“常客”，英特爾近日在IEDM上展示了一些新技術(shù)突破。 背面供電：超越PowerVia 英特爾是較早進(jìn)行背面供電技術(shù)的芯片公司之一。 說(shuō)到背面供電技術(shù)出現(xiàn)的契機(jī)，就不得不談及芯片互連的瓶頸。隨著摩爾定律推動(dòng)晶體管密度的不斷增加，傳統(tǒng)的芯片設(shè)計(jì)面臨了嚴(yán)重的互連瓶頸。在有限的空間內(nèi)，為了滿足日益增長(zhǎng)的性能需求，傳統(tǒng)的面向上（front-side）供電和信號(hào)傳輸設(shè)計(jì)開始顯得不足。 為了優(yōu)化芯片的性能，尤其是減少電阻和電容的影響，需要一種新的設(shè)計(jì)方法。背面供電技術(shù)提供了一種有效的解決方案，能夠分離供電和信號(hào)傳輸路徑，從而減少這兩者之間的互相干擾。 英特爾的PowerVia背面供電技術(shù)有效地解決了上述挑戰(zhàn)。通過(guò)在晶體管的背面實(shí)現(xiàn)供電，PowerVia技術(shù)使得晶體管的兩側(cè)均能實(shí)現(xiàn)互連，并通過(guò)垂直連接實(shí)現(xiàn)兩層互連間的通信。這種設(shè)計(jì)允許將背面互連專用于供電，使用大截面、低電阻的導(dǎo)線，而將前面的互連主要用于信號(hào)傳輸。這樣，每個(gè)互連層可以針對(duì)其主要功能進(jìn)行優(yōu)化，無(wú)需在供電和信號(hào)傳輸之間做出妥協(xié)。 
將供電線路從芯片的前部轉(zhuǎn)移到背部，不僅提升了芯片的性能，而且為前部互連釋放了空間，減少了工藝復(fù)雜性和成本。這種分離導(dǎo)線的方法提供了顯著的性能提升，并有助于進(jìn)一步的微型化發(fā)展。英特爾的PowerVia技術(shù)將于明年生產(chǎn)準(zhǔn)備就緒。 而現(xiàn)在，英特爾組件研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始著手研究超越PowerVia的未來(lái)技術(shù)。如下圖所示，英特爾引入了一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)——背面觸點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)的引入標(biāo)志著英特爾在單層器件設(shè)計(jì)上的一次重大突破，允許單個(gè)晶體管層從上、下或同時(shí)從兩側(cè)進(jìn)行連接。 背面觸點(diǎn)的主要作用是通過(guò)背面的大截面導(dǎo)線直接向晶體管供電，從而繞過(guò)傳統(tǒng)的電路路徑，顯著提高了供電效率。這種設(shè)計(jì)的直接好處包括減少了單元內(nèi)的金屬使用量，降低了電容和寄生電容效應(yīng)，從而提高了開關(guān)速度并減少了功耗。此外，由于無(wú)需為PowerVia預(yù)留額外空間，能夠在相同的芯片面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更緊密的組件布局，進(jìn)而增加了晶體管密度。
值得一提的是，該背面觸點(diǎn)技術(shù)可以與 PowerVia一起部署，也可以單獨(dú)部署。通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM）圖像分析，可以觀察到英特爾已經(jīng)有能力制造出對(duì)稱的背面觸點(diǎn)。背面觸點(diǎn)從頂部和底部看起來(lái)非常相似，而英特爾將在 IEDM 2023上展示的電性能表現(xiàn)表明，這種背面觸點(diǎn)不僅在幾何形狀上非常相似，而且在電性能表現(xiàn)上也非常相似。 背面觸點(diǎn)技術(shù)與PowerVia渴望在堆疊技術(shù)上發(fā)揮關(guān)鍵作用。晶體管堆疊技術(shù)是微電子行業(yè)的一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新，它致力于在單位面積上增加晶體管數(shù)量。這種技術(shù)通過(guò)在PMOS晶體管上疊加NMOS晶體管，創(chuàng)造出新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更高的芯片性能和密度。晶體管堆疊的一個(gè)核心挑戰(zhàn)是如何同時(shí)為堆疊層的頂部和底部晶體管提供電力和信號(hào)。而這兩種技術(shù)共同為晶體管堆疊提供了高效的能源和信號(hào)分配。 在當(dāng)下的芯片設(shè)計(jì)中，散熱成為芯片工作者的一大難題。英特爾已經(jīng)證明，PowerVia技術(shù)在同等功率密度下，其熱性能和響應(yīng)與傳統(tǒng)的非背面供電設(shè)計(jì)基本一致。此外，研究表明，使用背面觸點(diǎn)技術(shù)不會(huì)對(duì)熱性能造成負(fù)面影響，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于確保芯片在高性能操作下的穩(wěn)定性至關(guān)重要。 總之，通過(guò)創(chuàng)新的互連解決方案，英特爾正推動(dòng)晶體管技術(shù)向更高的性能和密度邁進(jìn)。 3D堆疊架構(gòu)：超越RibbonFET CFET或3D晶體管堆疊被認(rèn)為是下一代晶體管縮放的主流架構(gòu)。在3D堆疊結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，我們都知道，英特爾提出了RibbonFET技術(shù)，在2023的IEDM上，英特爾組件研究團(tuán)隊(duì)展示了其在晶體管尺寸縮減架構(gòu)方面的最新進(jìn)展，超越了RibbonFET技術(shù)。 為了推動(dòng)晶體管的尺寸縮減，英特爾在2023年成功地將單片式NMOS和PMOS結(jié)合在一起，并通過(guò)PowerVia和直接背面設(shè)備接觸，展示了在單個(gè)鰭片和多晶硅層上的緊湊型反相器設(shè)計(jì)，并在多晶硅層實(shí)現(xiàn)了60納米的接觸間距。這表明，通過(guò)這些技術(shù)，英特爾正在推動(dòng)晶體管技術(shù)向更小尺寸的發(fā)展，同時(shí)保持高性能和集成度。
上圖右側(cè)描述了英特爾構(gòu)建的結(jié)構(gòu)類型 這些成果標(biāo)志著英特爾在晶體管技術(shù)方面取得了顯著的進(jìn)步，特別是在提高集成電路的密度和減小晶體管尺寸方面。通過(guò)這種創(chuàng)新的3D堆疊技術(shù)，英特爾在推動(dòng)電子器件向更高性能和更小尺寸發(fā)展的道路上邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。 材料創(chuàng)新：超越硅邊界 隨著科技發(fā)展，對(duì)于更高的功率密度和能源效率提出了新的要求，特別是在5G和電源領(lǐng)域。在去年的IEDM 2022上，不僅為300毫米硅基氮化鎵晶圓的制造開辟了新路徑，而且在功率傳輸效率上取得了歷史性的突破，實(shí)現(xiàn)了比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高出20倍的增益，并刷新了高性能供電的記錄。
今年，英特爾再次推進(jìn)界限，展示了一種大規(guī)模的3D單片工藝，這項(xiàng)工藝巧妙地將氮化鎵和硅CMOS技術(shù)融合在一起，采用了稱為“層轉(zhuǎn)移”的技術(shù)在300毫米硅晶圓上完成。這項(xiàng)技術(shù)，被稱為“DrGaN”，標(biāo)志著CMOS驅(qū)動(dòng)器與氮化鎵功率器件集成的新時(shí)代。 早在2004年，英特爾首次提出了DrMOS概念，即將CMOS驅(qū)動(dòng)器與硅功率器件集成。這個(gè)當(dāng)時(shí)的先鋒想法，如今已經(jīng)成為個(gè)人電腦和數(shù)據(jù)中心供電的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在市場(chǎng)中廣泛傳播。這種集成技術(shù)通過(guò)減少寄生參數(shù)，提供了更高的功率密度解決方案，從而使硅晶體管能夠提供更高效的供電解決方案。 氮化鎵功率器件是近年來(lái)才興起的新型半導(dǎo)體材料，由于其卓越的電氣性能，迅速成為行業(yè)的焦點(diǎn)。直到去年，英特爾才發(fā)布具有20倍優(yōu)勢(shì)的氮化鎵功率器件。更為突出的是，英特爾實(shí)現(xiàn)了將氮化鎵和硅CMOS技術(shù)在同一晶圓上進(jìn)行3D單片集成的里程碑。 英特爾堅(jiān)信，通過(guò)DrGaN集成，未來(lái)計(jì)算的功率密度和效率需求將得到滿足。這一信念基于氮化鎵晶體管固有的優(yōu)勢(shì)，能夠在不犧牲性能的前提下，提供更高的功率密度和更優(yōu)的能效。從DrMOS到DrGaN，英特爾展示了其在行業(yè)中的領(lǐng)導(dǎo)地位和對(duì)技術(shù)進(jìn)步的深刻理解。 結(jié)語(yǔ) 在摩爾定律挑戰(zhàn)的邊緣，英特爾組件研究團(tuán)隊(duì)再次展現(xiàn)了其對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)不懈追求的承諾。他們所追求的，不僅是解決當(dāng)前的技術(shù)挑戰(zhàn)，而是提前預(yù)見并主導(dǎo)下一代計(jì)算的未來(lái)。英特爾的這一系列創(chuàng)新不僅僅是技術(shù)的飛躍，更代表了一種無(wú)畏探索未知、永不滿足的精神，一種將理論變?yōu)榭捎|碰實(shí)踐的勇氣，以及對(duì)半導(dǎo)體未來(lái)美好愿景的堅(jiān)定信念。 附：英特爾在2023 IEDM發(fā)布的前沿技術(shù)論文包括： 【1】 《通過(guò)背面供電和3D堆疊實(shí)現(xiàn)面向未來(lái)制程節(jié)點(diǎn)的技術(shù)創(chuàng)新》（Process Innovations for Future Technology Nodes with Back Side Power Delivery and 3D Device Stacking） 【2】 《60 納米柵極間距堆疊式 CMOS 逆變器的實(shí)現(xiàn)，結(jié)合PowerVia和直接背面觸點(diǎn)技術(shù)》（Demonstration of a Stacked CMOS Inverter at 60nm Gate Pitch with Power Via and Direct Backside Device Contacts） 【3】 《DrGaN：采用E模式GaN MOSHEMT和三維單片硅 PMOS的300mm硅基GaN功率開關(guān)集成CMOS驅(qū)動(dòng)器技術(shù)》（DrGaN : an Integrated CMOS Driver GaN Power Switch Technology on 300mm GaN on Silicon with E mode GaN MOSHEMT and 3D Monolithic Si PMOS） |
