英特尔晶圆代工，新创新

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英特尔和英特尔晶圆代工的研究人员展示了新一代去耦电容 (DCAP) 材料，可显著提升先进计算机芯片的供电性能。这项突破性成果将在 2025 年 IEEE 国际电子器件会议 (IEDM) 上发布，它利用了独特的金属-绝缘体-金属 (MIM) 材料特性。铁电氧化铪锆 (HZO) 利用其场强相关的介电响应，实现了 60 至 80 fF/μm² 的电容值；而氧化钛 (TiO) 和氧化锶钛 (STO) 则凭借其超高的介电常数，分别达到了 80 和 98 fF/μm² 的电容值——这三种材料均具有卓越的可靠性，且电压依赖性极低。这三种材料在 10 万秒内均表现出可忽略不计的电容漂移，漏电流远低于要求，并且在 90 摄氏度下，预计 10 年击穿电压均超过规格要求。

这些进步对半导体行业和更广泛的科技领域有着直接的影响。处理人工智能 (AI) 工作负载的数据中心可以通过更高的 MIM 去电容技术更长时间地保持高能效，从而更快地完成工作负载，同时降低数据中心的能耗和运营成本。移动设备受益于可靠的高性能和更快的低功耗状态切换，从而提高电池效率。高性能计算 (HPC) 系统可以从稳定的供电电压中获得处理余量，从而在更长时间内保持最高频率运行。

对于芯片制造商而言，这些新型电容器材料为在多个技术世代中持续提升电源传输效率提供了途径。这些材料可与现有的后端制造工艺无缝集成，无需进行大规模的设备改造即可实现应用。目前先进的MIM电容器通常采用类似于英特尔18A芯片中使用的最先进的Omni MIM架构。Omni MIM电容器由于其深沟槽和多板结构（见上图），具有397 fF/um²的电容。通过开发能够与此类结构无缝集成的新型氧化物材料，业界可以实现超越当前基准的电容密度。这些技术有助于在满足下一代处理器、加速器和芯片系统设计日益增长的电源传输需求的同时，保持先进半导体制造的经济可行性。

先进芯片供电面临的挑战

随着芯片在更小的空间内集成更多晶体管，维持稳定的电源供应变得越来越困难。当数十亿个晶体管同时开关时，电压会瞬间下降——称为电压骤降——导致处理器运行速度变慢、出现错误或降低运行速度。去耦电容器通过充当电能储存器来解决这个问题，在需要时立即提供电流，并在需求下降时吸收多余的电流。

传统的提高电容的方法包括堆叠多层电容器或蚀刻更深的沟槽以增加表面积。然而，这两种方法都会显著增加制造工艺的复杂性和成本。材料创新提供了一种替代方案，即大幅提高有效介电常数，也就是材料存储电荷的能力。寻找具有高有效介电常数且能满足在高温下长期稳定运行的严格可靠性要求的材料，是材料科学领域的一项重大挑战。

利用铁电材料实现电压响应电容

铁电氧化铪锆具有一种独特的性质——其储电荷能力会随外加电场的变化而变化。与传统电介质的储电荷能力保持不变不同，铁电材料内部包含称为畴的微观区域，这些畴会响应电场而发生取向变化，从而在不同的工作电压下表现出不同的电容值。

图 1. 透射电子显微镜图像显示了用于表征 MIM 堆叠的深沟槽电容器结构。

此类测试需要格外注意测量方法。在实际的去耦电容器工作状态下，当恒定偏置电压受到微小扰动时，该材料表现出极其稳定的电容，且与扰动电压、保持时间或脉冲数无关。铁电电容器的电容值在 60 至 80 fF/μm² 之间，具体数值取决于工作电压。在各种电压水平、90 摄氏度高温以及超过 40 万秒的长时间运行条件下进行的大量可靠性测试表明，电容漂移可忽略不计。

图 2. 电容测量结果表明 HZO 在实际去耦电容器使用条件下具有稳定、可靠的性能。

利用先进介电材料实现超高电容

氧化钛和锶钛氧化物具有极高的介电常数，且电压依赖性极低，因此可提供更高的电容。TiO₂ 的电容约为 80 fF/μm²，而 STO 则高达 98 fF/μm²——这是目前已知的最高电容密度。

图 3. 电容与电压测量结果显示，在感兴趣的工作范围内，电压依赖性较弱。

要达到这样的性能水平，需要在原子尺度上精确控制材料结构。研究团队开发了优化的工艺流程，包括引导晶体生长的模板层、控制薄膜沉积、促进所需晶体结构的退火热处理以及界面工程以最大程度地减少缺陷。X射线衍射证实，两种材料中均成功制备了强高介电常数相。

对于二氧化钛（TiO₂），详细分析表明其漏电流遵循 Poole-Frenkel 机制，即被缺陷捕获的电子从电场中获得能量并在陷阱位点之间跃迁。这解释了为什么该材料能够承受高电流而不发生击穿，应力诱导的漏电流行为提供了一种自限制保护机制，防止过早失效。

卓越的可靠性支持多层集成

这三种材料的可靠性均超过了去耦电容器的要求。即使在 90 摄氏度的高温下，漏电流也保持在目标值以下。这是通过改善介电性能实现的，而不是通过减薄绝缘层来实现的，因为减薄绝缘层会增加漏电流。

时变介电击穿测试在高电压和高温条件下对器件进行应力测试，并利用统计模型外推预期寿命。对于HZO，外推预测其在90摄氏度下工作10年，其性能将超过高压目标规格，且击穿行为几乎与电压极性无关。TiO的10年外推工作电压也显著超过高压要求¹。STO满足低电压应用的可靠性目标，但由于沉积工具的差异较大，需要进一步优化。

HZO 的对称击穿特性使其能够实现经济高效的多层堆叠，其中多个电容器层串联连接，从而在无需复杂集成方案的情况下倍增总电容。

展望未来：赋能下一代计算

这项研究展示了一条清晰的路径，可在不增加集成复杂性的前提下，实现跨越多代半导体器件的去耦电容性能的持续提升。这些方法通过改善材料的固有特性，而非依赖更深的沟槽或更多层等结构创新，在保持制造可行性的同时，显著提升了器件性能。

这三种材料可灵活满足不同的需求。HZO 具有可靠性高、易于集成等优点，是近期可行的实用选择。TiO 则具有更高的电容和卓越的高压性能，可作为其升级替代品。STO 则代表了电容密度的极致，适用于对电容要求极高的应用。

未来的工作将着重于优化这些材料以适应制造集成，改进沉积工艺以提高均匀性，并探索多层堆叠策略。随着计算技术向人工智能加速器、高性能处理器和节能数据中心发展，这些电容器技术将在为下一代半导体器件提供稳定电源方面发挥至关重要的作用。

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

（来源：编译自community，谢谢）

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