【編者按】

IEEE國際電子器件會議 （IEDM） 是全球領先的微電子器件制造和材料技術論壇，展現(xiàn)最前沿的半導體和電子器件技術、設計、制造、物理材料領域的技術突破。IEDM會議議題涉及納米級CMOS晶體管技術、先進存儲、顯示、傳感、MEMS、新型量子和納米級器件、光電子、能量采集器件、高速器件以及工藝技術和設備建模和仿真等領域。

2024 IEDM會議的焦點主要有三個：邏輯器件的先進工藝技術包括TSMC N2節(jié)點、CFET技術突破、三星2D材料、英特爾硅溝道擴展技術；存儲技術包括存算一體、Meta 3D堆疊內(nèi)存實現(xiàn)；先進封裝技術包括英特爾EMIB-T 2.5D技術和臺積電SoIC 3D混合鍵合技術。

本文編譯自SemiAnalysis對IEDM 2024會議的總結(jié)，分為三部分連載，歡迎感興趣的朋友關注和分享。

【內(nèi)容目錄】

1.TSMC N2

2.CFET

3.Memory

4.Meta 3D Stacked Memory

5.Intel EMIB-T

6.TSMC SoIC

7.Nvidia System Co-Optimization Of GPUs

8.2D Materials

9.Intel 6nm Gate Length

10.Expert Panel： Breakthroughs Needed

2D材料有望替代硅基晶體管溝道，溝道負責在晶體管源極和漏極之間傳導電流，其導電性由接觸或環(huán)繞溝道的柵極控制。在硅基器件中，當溝道長度（通常稱為柵極長度或Lg）縮小至約10納米以下時，由于漏電流過高會導致晶體管效率低下且難以關斷，因此被認為不具備實用價值。而2D材料構(gòu)成的溝道具有更優(yōu)的操控性，且不易產(chǎn)生硅基器件常見的漏電流機制。鑒于尖端器件的柵極長度已進入10-20納米區(qū)間，2D材料已被納入2030年代多個技術路線圖，但目前距商業(yè)化應用仍有距離。英特爾的一篇論文將主要挑戰(zhàn)歸納為三類：

1. 材料生長

2. 摻雜與接觸成型

3. 全環(huán)繞柵極（GAA）堆疊/高K金屬柵極集成

其中摻雜與接觸成型涉及在晶體管有源區(qū)形成源漏極的摻雜工藝，以及構(gòu)建與上層金屬互連的低阻接觸。GAA堆疊則需要在2D溝道周圍沉積多層材料以形成晶體管控制柵極。繼去年實現(xiàn)2D溝道材料集成（N型器件采用MoS?，P型器件采用WSe?）后，在摻雜、接觸和柵極成型方面取得進展：

臺積電成功演示了P型器件接觸工藝，該突破填補了關鍵技術空白，此前僅有N型晶體管接觸工藝得到驗證。接觸結(jié)構(gòu)負責建立金屬互連層與晶體管源極、漏極或柵極的電氣連接，其核心性能指標在于接觸電阻，這對數(shù)十納米尺度的現(xiàn)代器件尤為關鍵。技術難點源于源漏極由半導體材料（本例中為WSe?）構(gòu)成，本征電阻較高。若直接將互連金屬沉積在源漏極表面，界面處會形成高阻態(tài)肖特基勢壘，且金屬與硅的粘附性通常較差。

硅基器件的常規(guī)解決方案是硅化工藝：通過沉積與退火在硅源漏區(qū)表面形成高導電性硅化物（如NiSi），再于硅化物上構(gòu)建金屬互連，實現(xiàn)從有源區(qū)到電路互連的低阻連接。由于不含硅元素，傳統(tǒng)硅化工藝無法適用與2D材料。優(yōu)選方案是采用退化摻雜——向2D材料晶格引入特定雜質(zhì)，使其從半導體態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷w態(tài)。但WSe?的摻雜工藝面臨嚴峻挑戰(zhàn)，晶格結(jié)構(gòu)易遭破壞，且難以實現(xiàn)摻雜劑均勻分布。臺積電在大會上的展示表明，他們的研究團隊已經(jīng)成功攻克了這一難題，2D材料接觸方案的突破取得了重大進展。

柵極氧化物質(zhì)量是2D材料商業(yè)化的另一關鍵挑戰(zhàn)。如臺積電N2工藝論文所述，柵極氧化物質(zhì)量直接決定晶體管控制能力。若無法實現(xiàn)有效控制，邏輯制程將失去可行性。英特爾展示了高質(zhì)量柵極氧化物的制備工藝，成功制造出具有優(yōu)異控制特性的晶體管器件。其DIBL（漏致勢壘降低）和亞閾值擺幅（SS）指標表現(xiàn)優(yōu)異（分別對應低漏電流和陡峭的開關特性），同時具備高飽和漏電流，充分證明其靜電控制能力。該突破主要源于工藝優(yōu)化，特別是預清洗與氧化物沉積環(huán)節(jié)的改進。

盡管在摻雜、接觸和柵極成型方面取得突破，2D材料生長技術仍進展緩慢。我們在去年綜述中指出：“生長工藝是2D材料的根本性難題。”目前多數(shù)研究采用轉(zhuǎn)移技術：先在藍寶石襯底上生長材料，再機械轉(zhuǎn)移至硅晶圓。這種實驗室手段難以滿足量產(chǎn)需求，直接在12英寸硅晶圓上進行外延生長才是最具商業(yè)化潛力的技術路徑。

該領域最新進展陷入停滯。三星曾在8英寸測試平臺上演示晶圓級生長，但材料附著性欠佳。其解決方案是在各晶體邊緣制作“固定夾”以承受后續(xù)工藝應力，成功制備出功能性晶體管（采用頂/底柵結(jié)構(gòu)而非GAA架構(gòu)）。然而該工藝不具備可擴展性：演示器件的溝道長度達500納米（超出需求兩個數(shù)量級），且固定夾結(jié)構(gòu)會抵消短溝道帶來的尺寸優(yōu)勢。真正需要突破的是無需輔助結(jié)構(gòu)即可在整片晶圓上生長高質(zhì)量材料。

臺積電展示了完整二維FET反相器——將N型與P型晶體管連接構(gòu)成基礎邏輯單元。該研究側(cè)重集成探索，器件采用平面結(jié)構(gòu)而非GAA架構(gòu)，且尺寸較需求大1-2個數(shù)量級。實驗發(fā)現(xiàn)若干重要現(xiàn)象：

首先嘗試采用WSe?制備同質(zhì)N/P型晶體管。主流方案采用異質(zhì)集成（NMOS使用MoS?溝道），若能用單一材料實現(xiàn)雙極器件將顯著降低成本。但臺積電發(fā)現(xiàn)WSe? NFET性能嚴重劣于PFET，無法匹配應用需求。

其次，標準濕法工藝會影響既有PFET性能。在PFET有源區(qū)進行圖形化時采用常規(guī)濕法工藝（光刻膠、蝕刻等）——這些本應對底層器件無影響的成熟工藝，卻導致閾值電壓（晶體管開啟電壓）顯著偏移。這種非直觀現(xiàn)象預示：隨著2D材料集成復雜度提升，可能涌現(xiàn)更多意外挑戰(zhàn)。

二維FET的閾值電壓易受標準濕法工藝影響。

實現(xiàn)量產(chǎn)仍需長期努力。當前尖端技術僅能在較短溝道下制備單個優(yōu)質(zhì)晶體管，距離單晶圓集成數(shù)十億晶體管、年產(chǎn)能十萬片以上的目標相差約15個數(shù)量級。更糟糕的是，硅基器件理論最小柵長10納米的傳統(tǒng)認知已被打破。英特爾成功演示單納米帶GAA晶體管，柵長僅6納米。

傳統(tǒng)認為10納米以下將面臨量子隧穿等根本性障礙：在極端尺度下，載流子穿越柵極勢壘的概率不可忽略，導致漏電流激增。漏電嚴重的晶體管將造成芯片能效低下與可靠性問題。但英特爾的實驗證明量子隧穿效應可被有效抑制，雖然器件性能尚未完美，但已展現(xiàn)足夠優(yōu)化空間——亞閾值擺幅接近室溫理論極限60 mV/dec，DIBL指標約為臺積電N2工藝的兩倍，雖需改進但已屬研發(fā)突破。

需注意：此前5納米柵長FinFET器件性能極差（DIBL與SS值過高），而本次6納米GAA器件性能顯著提升。

英特爾的突破可能延后2D材料的路線圖定位。若無技術必要性，芯片制造商不會輕易轉(zhuǎn)向復雜的新材料體系。

盡管計算設備持續(xù)進步，但現(xiàn)有發(fā)展模式不可持續(xù)。若無底層器件革新，計算需求與能耗的指數(shù)增長將難以為繼。斯坦福大學Tom Lee教授推演顯示：按當前增速，2050年AI計算能耗將超過地球接收的太陽光子總量，百年后更需捕獲太陽全部輻射能量——這凸顯技術變革的緊迫性。IEDM專家小組強調(diào)：半導體器件需要革命性突破，而非寄望于戴森球等科幻方案。論壇閉幕時，學界發(fā)出行動倡議：器件技術的漸進式改良已不足夠。Lee教授指出，在各類“AI指數(shù)”中，能源終將成為關鍵制約因素?！拔覀儫o法用線性武器戰(zhàn)勝指數(shù)級敵人?！?/p>