材料工程：节能芯片的真正英雄！

在imec的2024年ITF世界大会上，AMD CEO Lisa Su阐述了到2026-2027年将计算能力效率提高一百倍的愿景，并表示：“在未来十年中，要想提高性能，就必须坚持不懈地关注能效。”对节能计算的重视不仅仅局限于AI服务器，还延伸到了我们每天使用的个人电脑和智能手机。正如高通所指出的那样，“一旦AI模型得到训练，就可以对其进行精简和优化，使其在功耗低得多的硬件上运行，比如智能手机或电池供电的笔记本电脑。”

为了更好地理解材料工程对半导体的影响，我们分析了当今最先进的微处理器之一。该处理器基于领先的3nm FinFET技术，大约1900个单独的工艺步骤。分析发现，这些步骤中只有大约300步会涉及材料，其余的步骤则与定义pattern、清洁、抛光、测量和检查晶圆是否存在缺陷有关。

然而，相对较少的材料工程步骤对芯片的性能、功率和可靠性产生了巨大的影响。

材料对芯片性能影响更大

虽然半导体行业以其根据摩尔定律不断缩小晶体管关键尺寸的能力而闻名，但2D缩放的回报正在递减。当我们遇到基本的物理障碍时，尺寸缩放不再同时产生性能和功耗的改进。

这就是为什么我们需要材料创新。我们使用的材料以及在纳米尺度上沉积和塑造数百层材料的独特方法越来越多地决定了芯片的性能和功耗。

这类似于盖房子。建筑师定义长度、宽度、角度和其他尺寸，形成建筑的布局（芯片设计和制造）；建筑检查员要确保一切都符合规范，没有重大缺陷（过程控制）；最终，材料和结构的质量决定了结构的功能性能、可靠性和寿命（材料工程）。

具体来说，在光刻之后，许多复杂的步骤被用来“构造”形成晶体管和互连布线的各种芯片特征。复杂的工艺技术被用于添加、塑造、移除和修改一系列外来材料，其尺寸可以达到几个单独的原子和分子的规模。

日益增加的复杂性驱动创新的解决方案

在该行业的早期，集成电路只使用元素周期表中的大约8种元素，而且结构主要是2D的。如今，该行业正在采用更多具有独特的，有时是奇异的物理和化学特性的材料，并且建筑越来越多地采用3D技术。为了制造最先进的芯片，超过25个元素以100种不同的方式组合在一起。正如英特尔CEO Pat Gelsinger所说，“英特尔仍然受到摩尔定律的启发，我们将继续追求它，直到元素周期表耗尽！”应用材料公司正在积极探索元素周期表中的候选元素，以用于未来的芯片技术。

看一个最近的例子，它涉及到在芯片上形成数百亿晶体管之间电连接的铜线。一个先进的处理器可以在一个指甲大小的芯片中包含超过60英里的线路。为了制造微小的电线，超薄衬里沿着沟槽的墙壁沉积，然后填充导电铜。将衬垫变薄，为铜留出更多空间，可以显著降低导线的电阻，从而提高芯片性能和功率效率。应用材料公司最新的集成材料解决方案系统利用材料创新将铜扩展到2nm节点及以上。该系统在一个高真空系统中结合了六种工艺技术，并使用了业界首创的钌和钴（RuCo）组合，将衬垫厚度减少了33%，降至2nm。材料工程解决方案改善了无空洞铜回流的表面性能，有助于减少高达25%的电线电阻。

这只是材料工程如何补充2D缩放以实现性能和功率持续改进的一个例子。

展望未来，芯片节点和特征将以埃或十分之一纳米来描述。在这些维度上，材料表现出完全不同的方式，因为表面性质开始主导体积性质。