英特爾晶圓代工，新創新

半導體行業觀察

02/08

英特爾和英特爾晶圓代工的研究人員展示了新一代去耦電容 (DCAP) 材料，可顯著提升先進計算機芯片的供電性能。這項突破性成果將在 2025 年 IEEE 國際電子器件會議 (IEDM) 上發布，它利用了獨特的金屬-絕緣體-金屬 (MIM) 材料特性。鐵電氧化鉿鋯 (HZO) 利用其場強相關的介電響應，實現了 60 至 80 fF/μm² 的電容值；而氧化鈦 (TiO) 和氧化鍶鈦 (STO) 則...

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IEEE 國際電子器件會議 (IEDM) 上發布，它利用了獨特的金屬-絕緣體-金屬 (MIM) 材料特性。鐵電氧化鉿鋯 (HZO) 利用其場強相關的介電響應，實現了 60 至 80 fF/μm² 的電容值；而氧化鈦 (TiO) 和氧化鍶鈦 (STO) 則憑藉其超高的介電常數，分別達到了 80 和 98 fF/μm² 的電容值——這三種材料均具有卓越的可靠性，且電壓依賴性極低。這三種材料在 10 萬秒內均表現出可忽略不計的電容漂移，漏電流遠低於要求，並且在 90 攝氏度下，預計 10 年擊穿電壓均超過規格要求。這些進步對半導體行業和更廣泛的科技領域有着直接的影響。處理人工智能 (AI) 工作負載的數據中心可以通過更高的 MIM 去電容技術更長時間地保持高能效，從而更快地完成工作負載，同時降低數據中心的能耗和運營成本。移動設備受益於可靠的高性能和更快的低功耗狀態切換，從而提高電池效率。高性能計算 (HPC) 系統可以從穩定的供電電壓中獲得處理餘量，從而在更長時間內保持最高頻率運行。對於芯片製造商而言，這些新型電容器材料為在多個技術世代中持續提升電源傳輸效率提供了途徑。這些材料可與現有的後端製造工藝無縫集成，無需進行大規模的設備改造即可實現應用。目前先進的MIM電容器通常採用類似於英特爾18A芯片中使用的最先進的Omni MIM架構。Omni MIM電容器由於其深溝槽和多板結構（見上圖），具有397 fF/um²的電容。通過開發能夠與此類結構無縫集成的新型氧化物材料，業界可以實現超越當前基準的電容密度。這些技術有助於在滿足下一代處理器、加速器和芯片系統設計日益增長的電源傳輸需求的同時，保持先進半導體制造的經濟可行性。先進芯片供電面臨的挑戰隨着芯片在更小的空間內集成更多晶體管，維持穩定的電源供應變得越來越困難。當數十億個晶體管同時開關時，電壓會瞬間下降——稱為電壓驟降——導致處理器運行速度變慢、出現錯誤或降低運行速度。去耦電容器通過充當電能儲存器來解決這個問題，在需要時立即提供電流，並在需求下降時吸收多餘的電流。傳統的提高電容的方法包括堆疊多層電容器或蝕刻更深的溝槽以增加表面積。然而，這兩種方法都會顯著增加製造工藝的複雜性和成本。材料創新提供了一種替代方案，即大幅提高有效介電常數，也就是材料存儲電荷的能力。尋找具有高有效介電常數且能滿足在高温下長期穩定運行的嚴格可靠性要求的材料，是材料科學領域的一項重大挑戰。利用鐵電材料實現電壓響應電容鐵電氧化鉿鋯具有一種獨特的性質——其儲電荷能力會隨外加電場的變化而變化。與傳統電介質的儲電荷能力保持不變不同，鐵電材料內部包含稱為疇的微觀區域，這些疇會響應電場而發生取向變化，從而在不同的工作電壓下表現出不同的電容值。圖 1. 透射電子顯微鏡圖像顯示了用於表徵 MIM 堆疊的深溝槽電容器結構。此類測試需要格外注意測量方法。在實際的去耦電容器工作狀態下，當恒定偏置電壓受到微小擾動時，該材料表現出極其穩定的電容，且與擾動電壓、保持時間或脈衝數無關。鐵電電容器的電容值在 60 至 80 fF/μm² 之間，具體數值取決於工作電壓。在各種電壓水平、90 攝氏度高温以及超過 40 萬秒的長時間運行條件下進行的大量可靠性測試表明，電容漂移可忽略不計。圖 2. 電容測量結果表明 HZO 在實際去耦電容器使用條件下具有穩定、可靠的性能。利用先進介電材料實現超高電容氧化鈦和鍶鈦氧化物具有極高的介電常數，且電壓依賴性極低，因此可提供更高的電容。TiO₂ 的電容約為 80 fF/μm²，而 STO 則高達 98 fF/μm²——這是目前已知的最高電容密度。圖 3. 電容與電壓測量結果顯示，在感興趣的工作範圍內，電壓依賴性較弱。要達到這樣的性能水平，需要在原子尺度上精確控制材料結構。研究團隊開發了優化的工藝流程，包括引導晶體生長的模板層、控制薄膜沉積、促進所需晶體結構的退火熱處理以及界面工程以最大程度地減少缺陷。X射線衍射證實，兩種材料中均成功製備了強高介電常數相。對於二氧化鈦（TiO₂），詳細分析表明其漏電流遵循 Poole-Frenkel 機制，即被缺陷捕獲的電子從電場中獲得能量並在陷阱位點之間躍遷。這解釋了為什麼該材料能夠承受高電流而不發生擊穿，應力誘導的漏電流行為提供了一種自限制保護機制，防止過早失效。卓越的可靠性支持多層集成這三種材料的可靠性均超過了去耦電容器的要求。即使在 90 攝氏度的高温下，漏電流也保持在目標值以下。這是通過改善介電性能實現的，而不是通過減薄絕緣層來實現的，因為減薄絕緣層會增加漏電流。時變介電擊穿測試在高電壓和高温條件下對器件進行應力測試，並利用統計模型外推預期壽命。對於HZO，外推預測其在90攝氏度下工作10年，其性能將超過高壓目標規格，且擊穿行為幾乎與電壓極性無關。TiO的10年外推工作電壓也顯著超過高壓要求¹。STO滿足低電壓應用的可靠性目標，但由於沉積工具的差異較大，需要進一步優化。HZO 的對稱擊穿特性使其能夠實現經濟高效的多層堆疊，其中多個電容器層串聯連接，從而在無需複雜集成方案的情況下倍增總電容。展望未來：賦能下一代計算這項研究展示了一條清晰的路徑，可在不增加集成複雜性的前提下，實現跨越多代半導體器件的去耦電容性能的持續提升。這些方法通過改善材料的固有特性，而非依賴更深的溝槽或更多層等結構創新，在保持製造可行性的同時，顯著提升了器件性能。這三種材料可靈活滿足不同的需求。HZO 具有可靠性高、易於集成等優點，是近期可行的實用選擇。TiO 則具有更高的電容和卓越的高壓性能，可作為其升級替代品。STO 則代表了電容密度的極致，適用於對電容要求極高的應用。未來的工作將着重於優化這些材料以適應製造集成，改進沉積工藝以提高均勻性，並探索多層堆疊策略。隨着計算技術向人工智能加速器、高性能處理器和節能數據中心發展，這些電容器技術將在為下一代半導體器件提供穩定電源方面發揮至關重要的作用。https://community.intel.com/t5/Blogs/Intel-Foundry/Systems-Foundry-for-the-AI-Era/Intel-Foundry-Advances-Chip-Power-Delivery-with-Next-Generation/post/1735691（來源：編譯自community，謝謝）*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀讚好同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。","kind":"news","is_publish_news":true,"is_publish_highlight":false,"is_publish_live":false,"is_publish_wemedia":null,"editions":null,"column":"","sentiment":"0","news_tag":"","news_rank":0,"symbols":[],"gpt_button":1,"need_auth":false,"code":"91000000","status":"200"}}}