作者 | 陳彩嫻
編輯 | 岑峰
從頂會看各大廠商的研究重點與最新成果，是AI科技評論一直以來的傳統。
今年12月11日至15日，半導體領域最高頂會IEEE國際電子元件會議（International Electron Devices Meeting, IEDM）在美國舊金山召開。
具有67年曆史的IEDM會議是微電子器件領域的頂級會議，在國際半導體領域享有崇高的學術地位與廣泛的影響力，被譽為「微電子器件領域的奧林匹克盛會」，是國際著名高校與英特爾、臺積電、三星、IBM等企業報告最新研究成果與技術突破的主要平臺。功率半導體領域的頂級國際會議 ISPSD 就是從IEDM會議中分離出來的。
在今年的IEDM上，各大廠商依然有著十分卓越的表現，英特爾尤為出色，一次性中了8篇論文，展示了多項技術突破，可謂「碩果累累」。
據英特爾製造、供應鏈和營運集團副總裁盧東暉博士介紹，英特爾在IEDM 2021上的研究突破主要集中在微縮技術、非矽基半導體與物理學新概念等三方面。基於這些研究突破，英特爾表示，他們有信心讓摩爾定律超越2025年，並在不久的未來重新奪回在製程技術上的領導地位。
1 研究背景：從晶片的製造說起
據調查，美國成年人平均每天使用電子裝置的時間超過12個小時，包括電腦、移動裝置、電視機與汽車等等，而這些裝置的背後都有一個重要的驅動者，就是「晶片」。
毫無疑問，晶片能改善我們的生活、提高生產力並推動經濟增長。
美國的一個SI資料顯示，每一個半導體能帶來6個附加工作，一個現代化的晶圓廠大約需要2000人，所需的支援部門能大概提供12000個工作崗位。
此外，2020年全球半導體行業的營收是4400億美元，而Gartner預測，到2030年，半導體行業的營收大約會增加到一萬億美元。
圖注：晶片對計算、通訊、醫療、交通、物聯網等等行業的重要性
各行各業對晶片的依賴加強，也意味著晶片的短缺會對其他行業產生重要影響。比如，今年9月份，美國諮詢公司艾睿鉑（AlixPartners）就釋出新預測，稱2021年汽車行業因為晶片短缺減少了2100億美元的營收。
那麼，晶片是如何製造的？
如下圖所示，一枚晶片的生產需要經過設計、光罩製作、製造、晶片分揀、封裝測試與成品出貨等6大環節。
圖注：晶片的製造過程
製程技術是製造一環的關鍵，因為該環要實現的目標是達到大規模量產，且良率保持在90%以上。據盧東暉博士介紹，製造環節的耗時也是最長的，「新一代製程技術的研發至少要4-6年，所以許多7nm、10nm的研發工作從4、5年前就已開始。」
目前，大規模製造所需的最先進技術是邏輯電路製造技術，全製造流程大約為5個月，歷經2000多道工序，且過程越來越複雜。
2021，英特爾釋出了全新的製程節點命名體系，「製程節點」不再指代奈米節點，而是指 Intel 7、Intel 4、Intel 3 與 Intel 20A。
在摩爾定律下，製程節點至關重要。更高的元件密度能讓現有功能模組（IP）佔用更小的芯片面積，讓功能進行耗能更低、功效更快的運算，並擁有更高的動態範圍。
所謂「更高的動態範圍」，就是能有更多的電晶體來幫助最佳化設計，如手機在待機狀態的耗能更低、玩高畫質遊戲的速度提升，更好地適應使用者需求。如果手機裡的電晶體數量有限，則無法進行太大的工藝最佳化。
「這也是製程節點為什麼如此重要的原因。」盧博士解釋，「對於真正從事半導體行業的人來說，製程節點的重要性在於它可以帶來可預測性。摩爾定律是一個經濟定律，但它讓整個工業界有了一個前進的方向。比如在晶圓廠做研發，需要裝置供應商、材料商、人才供應、基建，如果大家都遵循統一的時間軸（即每18個月電晶體密度翻一番），那麼供應效率就會大大提高。」
圖注：製程節點的重要性
除了製造，盧博士還提到，晶片的封裝也越來越重要。
如下圖英特爾的處理器示意圖所示，中間的裸片被固定到左側的基板，並被右側的散熱片所覆蓋，這個封閉的結構被稱為「封裝」。這個過程能將晶片上微米大小的功能模組連線到計算機主機板上毫米大小的功能模組，保護晶片不受汙染、為晶片散熱和供電，並逐漸以全新的方式整合多個晶片。
圖注：英特爾晶片封裝示意圖
傳統的封裝功能較為簡單，主要是防水、隔塵、散熱，現在的封裝還起到了一個額外的重要作用，即「重新架構」。
隨著晶片的功能越來越多，將所有功能僅整合在一個晶片上的成本非常高，因為有些功能模組不需要更新制程，而有些功能模組則需要非常高的先進製程。這時，最好的辦法是根據自身的技術將不同功能模組分開，然後透過封裝將功能模組集合在一起，利用區域性最佳化來達到重新架構的目的。
「對使用者來說，體驗是一樣的，但對於製造商來說，這樣既可以最佳化成本，也可以最佳化電路設計。」盧博士總結。
臺積電將新一代的封裝方式稱為「Chiplet」，即「小晶片/芯粒」，而英特爾稱為「3D封裝」（3D Packaging）或「先進封裝」（Advanced Packaging），一是為了確保晶片設計不侷限於單一的製程技術，其次是可以給客戶提供更好的定製化服務。
無論是手機、汽車或其他電子裝置，功能都在不斷增加，對晶片的要求也會越來越大，緊接著便是大量的計算，而摩爾定律的意義所在就是繼續推進與加速計算功能的最佳化。基於當前摩爾定律的發展需求，英特爾研究團隊在製程工藝與封裝技術上不斷鑽研，希望推進摩爾定律的創新。
2 IEDM論文突破解讀
據瞭解，本次英特爾之所以能在IEDM會議上取得卓越成果，離不開其內部的一個關鍵部門：英特爾元件研究（Component Research）團隊。
他們主導了英特爾多項先進技術的元件研發，被稱為「探路者」。比方說，英特爾稱為RibbonFET、外界稱為「Gate All Around」（GAA）的 Intel 20A，該部門從大約15年前就開始研究。
圖注：元件研究團隊的創新
英特爾元件研究團隊聚焦在三個方向，分別是微縮技術、為矽注入新功能與物理學新概念。
微縮技術：又稱為「transistor scaling」，主要目的是使電晶體的面積變小、提升每個封裝內多張晶片驅動每瓦效能，流行的方法包括全新的電晶體設計、光刻技術的突破與先進封裝（advanced packaging）等等。
而為矽注入新功能，是因為用矽做功率器件，尤其是將矽基（CMOS）應用到汽車或高壓器件電子裝置中不大適用，所以需要為矽注入新功能，獲得更高效的功率傳輸、更大的記憶體資源與材料突破，擴充套件晶片極限以迎合未來的功率與記憶體需求。
探索物理學新概念，是從量子力學出發，尋找全新的功率器件，建立全新的電路模型，用新片物理為下一代重構計算，最大程度地增效節能。
今年，英特爾元件研究團隊被IEDM接收的八篇論文也是集中在上述的三個方向。
1）微縮技術
在至關重要的微縮技術一塊，英特爾便取得了三項重要突破（如下）：
- 解決混合鍵合技術（Hybrid Bonding Interconnect，HBI）的設計、製程工藝與封裝難題，採用化學機械拋光和沉積的最佳化，保持介電層的平面性、減少翹曲，達到了超過10倍以上的互聯密度提升；
- 透過3D CMOS實現30%至50%的面積微縮，提高面積利用率，是英特爾在全環繞柵極（GAA）微縮技術探索上的又一突破；
- 突破2D器件。傳統的CMOS主要有Source、Drain、Gate和Channel，英特爾此次將Channel變成了一個2D材料，可以製作更短的通道，並克服矽的微縮限制，同時改進了單原子層電晶體的接觸電阻。
2）為矽注入新功能
近年來氮化鎵基（GaN-based）功率器件在國內十分火熱，因為它可以直接作出70伏的電晶體，而矽不能。
在IEDM 2021上，英特爾在300毫米晶圓上首次和矽基CMOS即成氮化鎵基功率器件，能夠更適配高電壓的應用，提升大規模製造可能性。此外，他們提出新的鐵電儲存器（FeRAM），基於新的物理原理實現了2納秒的讀寫能力和超過1021次方的讀寫週期。
圖注：英特爾的3D CMOS整合
3）物理學新概念：擁抱量子領域
- 首次在室溫下實現磁電自旋軌道（MESO）邏輯器件的實驗，這表明未來有可能製造出基於奈米尺度的磁體器件的新型電晶體；
- 和比利時微電子研究中心（IEMC）合作，首次演示一種利用磁疇壁位移來實現邏輯和記憶體功能的自旋扭矩器件，與當前使用的布林門相比，可以帶來更緊湊的電路設計；
- 與300毫米CMOS製造相容的完整的量子比特製造工藝流程，加速量子計算技術的微縮。這表示，當量子製造工藝成熟以後，可以在現有的晶圓廠直接改造，而無需再投入數十億美元建一個工廠，對量子計算技術的微縮有革命性意義。
3 學術研究產業化
論文成果能否產業化，也一直是工業界與學術界所共同關注的問題。此次英特爾在IEDM上發表8篇研究論文，大多是從產業應用的角度出發，但距離正式賦能晶片製造還有多久？
盧東暉博士談道：「目前混合鍵合互連技術（HBI）在產業上已經有所應用。今年7月，英特爾便在加速創新制程工藝與封裝技術的線上釋出會中提到，Foveros Direct技術預計會在2023年投入量產，Intel 20A中所用到的RibbonFET技術也預計會在2024年推出。」
目前，在半導體行業，只有英特爾、臺積電與三星在FinFET上投入量產，其他廠家大多止步於14nm。對此，盧東暉解釋，主要還是處於經濟考慮：
「要在先進製程技術上取得突破，必須投入大量資金，建廠、招人等等，如果年營收沒有達到100億美元，肯定會賠錢。而年營收可以達到100億美元的，就只有英特爾、臺積電與三星這三家公司。像FinFET流片一套就需要幾億美元，國內有幾家設計公司有這麼大的產能支撐？小米、海思可以，但大部分的公司是負擔不起的。它需要持續的創新與投入。」
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