半導(dǎo)體未來(lái)三大支柱：先進(jìn)封裝、晶體管和互連

原創(chuàng) 杜芹 半導(dǎo)體芯聞

最近一段時(shí)間以來(lái)，芯片巨頭英特爾在商業(yè)和市場(chǎng)層面經(jīng)歷了諸多挑戰(zhàn)。但有一說(shuō)一，英特爾在前沿技術(shù)領(lǐng)域的探索和布局依然具有行業(yè)標(biāo)桿意義，其發(fā)布的技術(shù)路線圖和成果為半導(dǎo)體行業(yè)提供了重要參考方向。

在IEDM 2024大會(huì)上，英特爾發(fā)布了7篇技術(shù)論文，展示了多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的創(chuàng)新進(jìn)展。這些技術(shù)涵蓋了從FinFET到2.5D和3D封裝（EMIB、Foveros、Foveros Direct），即將在Intel 18A節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的PowerVia背面供電技術(shù)，以及全環(huán)繞柵極（GAA）晶體管RibbonFET等。此外，英特爾還揭示了一些面向未來(lái)的先進(jìn)封裝技術(shù)，為推動(dòng)行業(yè)發(fā)展提供了新的視角。

在這些前沿技術(shù)中，三個(gè)核心領(lǐng)域尤為值得關(guān)注：面向AI發(fā)展的先進(jìn)封裝、晶體管微縮技術(shù)和互連微縮技術(shù)。在IEDM 2024大會(huì)上，英特爾代工高級(jí)副總裁兼技術(shù)研究總經(jīng)理Sanjay Natarajan詳細(xì)介紹了這些領(lǐng)域的關(guān)鍵突破。

先進(jìn)封裝的突破：選擇性層轉(zhuǎn)移技術(shù)

異構(gòu)集成已經(jīng)成為當(dāng)今芯片界的主流實(shí)現(xiàn)性能提升的手段。但是異構(gòu)集成技術(shù)面臨著很大的挑戰(zhàn)。當(dāng)前異構(gòu)集成技術(shù)主要采用“晶圓對(duì)晶圓鍵合”（Wafer-to-Wafer HB）或“芯片對(duì)晶圓鍵合”（Chip-to-Wafer HB），會(huì)因順序裝配芯粒而導(dǎo)致吞吐量、芯片尺寸和厚度受限。

英特爾通過(guò)選擇性層轉(zhuǎn)移（Selective Layer Transfer）技術(shù)，突破了當(dāng)前異構(gòu)集成的技術(shù)瓶頸。這項(xiàng)技術(shù)能夠以超高效率完成超過(guò)15,000個(gè)芯粒的并行轉(zhuǎn)移，僅需幾分鐘即可實(shí)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)方法數(shù)小時(shí)或數(shù)天的提升。其創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了亞微米級(jí)芯粒的轉(zhuǎn)移，支持僅1平方毫米大小、厚度為人類頭發(fā)1/17的芯粒。這提供了一種靈活且成本效益顯著的異構(gòu)集成架構(gòu)，使得處理器與存儲(chǔ)器技術(shù)的混合搭配成為可能。Intel Foundry率先采用無(wú)機(jī)紅外激光脫鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了芯粒轉(zhuǎn)移的技術(shù)突破，推動(dòng)了旗艦AI產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所需的先進(jìn)異構(gòu)集成技術(shù)的發(fā)展。

英特爾代工高級(jí)副總裁兼技術(shù)研究總經(jīng)理Sanjay Natarajan表示：“我們有理由期待這一技術(shù)能夠像PowerVia背面供電技術(shù)一樣在業(yè)內(nèi)普及。我們將積極開(kāi)創(chuàng)并推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，我認(rèn)為我們會(huì)看到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)都逐步采用這一技術(shù)?！?/p>

面向AI時(shí)代，英特爾提出了全面的封裝解決方案，以實(shí)現(xiàn)AI系統(tǒng)的大規(guī)模量產(chǎn)。除了選擇性層轉(zhuǎn)移技術(shù)，英特爾還聚焦于：

先進(jìn)內(nèi)存集成（memory integration）：解決容量、帶寬和延遲瓶頸，提升性能。

混合鍵合（hybrid bodning）互連的間距縮放：實(shí)現(xiàn)異構(gòu)組件間的高能效和高帶寬密度連接。

模塊化系統(tǒng)的擴(kuò)展：通過(guò)連接解決方案降低網(wǎng)絡(luò)延遲和帶寬限制。

GAA晶體管的突破：物理和二維材料

晶體管技術(shù)的進(jìn)步一直以來(lái)都是英特爾的主業(yè)之一，英特爾的目標(biāo)是到2030年實(shí)現(xiàn)一萬(wàn)億晶體管的宏偉目標(biāo)。

Intel展示了其在Gate-All-Around（GAA）RibbonFET晶體管上的技術(shù)突破，成功將柵極長(zhǎng)度縮小至6nm，并實(shí)現(xiàn)1.7nm硅通道厚度。通過(guò)對(duì)硅通道厚度和源漏結(jié)的精準(zhǔn)工程設(shè)計(jì)，有效減少了漏電流和器件退化，提高了晶體管在極短?hào)艠O長(zhǎng)度下的性能穩(wěn)定性。英特爾研究數(shù)據(jù)顯示，與其他先進(jìn)節(jié)點(diǎn)技術(shù)相比，在6nm柵極長(zhǎng)度下，RibbonFET在短?hào)艠O長(zhǎng)度下具備更高的電子遷移率和更優(yōu)的能效特性。除此之外，RibbonFET實(shí)現(xiàn)了最佳的亞閾值擺幅（Subthreshold Swing，SS）和漏電流抑制性能（DIBL）。

左圖是透射電子顯微鏡（TEM）圖像，中間展示看這些晶體管的部分關(guān)鍵參數(shù)，右圖是柵極長(zhǎng)度與電子速度關(guān)系圖

這一進(jìn)展展示了在短溝道效應(yīng)優(yōu)化方面的行業(yè)領(lǐng)先水平，這為未來(lái)更高密度、更低功耗的芯片設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)推動(dòng)了摩爾定律的持續(xù)發(fā)展，滿足了下一代計(jì)算和AI應(yīng)用對(duì)半導(dǎo)體性能的嚴(yán)苛需求。

為了推進(jìn)GAA晶體管技術(shù)的發(fā)展，英特爾也將目光瞄準(zhǔn)了二維半導(dǎo)體材料。

據(jù)Sanjay Natarajan的介紹，具體而言，英特爾在GAA技術(shù)中引入了二維（2D）NMOS和PMOS晶體管，該晶體管以二維MoS2為溝道材料，結(jié)合高介電常數(shù)的HfO2作為柵氧化層，通過(guò)ALD（原子層沉積）工藝實(shí)現(xiàn)精確控制。下圖的橫截面成像清晰展示了柵極金屬、HfO?氧化物和二維MoS2之間的結(jié)構(gòu)集成，其整體厚度在納米級(jí)別，漏源間距（L_SD）小于50nm，次閾值擺幅（SS）低于75mV/d，最大電流性能（I_max）達(dá)到900μA/μm以上，能夠顯著提升柵極對(duì)溝道的控制能力。

右側(cè)的圖表中將Intel的研究結(jié)果（THIS WORK）與其他同類研究進(jìn)行了對(duì)比，顯示在驅(qū)動(dòng)電流和次閾值擺幅上的明顯優(yōu)勢(shì)。

英特爾的研究驗(yàn)證了結(jié)合GAA架構(gòu)和2D材料，晶體管性能堪稱飛躍。而且一旦英特爾將基于硅的溝道性能推至極限，采用2D材料的GAA晶體管很有可能會(huì)成為下一步發(fā)展的合理方向。

就英特爾所觀察到的而言，晶體管數(shù)量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)趨勢(shì)，符合摩爾定律，從微型計(jì)算機(jī)到數(shù)據(jù)中心，晶體管數(shù)量每?jī)赡攴丁５?，隨著AI工作負(fù)載的持續(xù)增加，AI相關(guān)能耗可能會(huì)在2035年超越美國(guó)當(dāng)前的總電力需求，能源瓶頸成為未來(lái)計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。因此，未來(lái)需要的是新型晶體管。下一代晶體管需要具備超陡次閾值擺幅（低于60mV/dec）和極低的靜態(tài)漏電流（I_off），支持在超低供電電壓（<300mV）下運(yùn)行。

英特爾也在材料和物理層面不斷探索，并在IEDM上展示了采用Ge（鍺）納米帶結(jié)構(gòu)的晶體管，其9nm厚度和結(jié)合氧化物界面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)低功耗和高效傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。Intel進(jìn)一步研究結(jié)合高介電常數(shù)材料和新型界面工程，以開(kāi)發(fā)更加節(jié)能高效的下一代晶體管。

英特爾也呼吁整個(gè)行業(yè)共同推動(dòng)晶體管技術(shù)的革命，以滿足萬(wàn)億晶體管時(shí)代中AI應(yīng)用的需求。通過(guò)對(duì)過(guò)去60年晶體管發(fā)展的總結(jié)，Intel同時(shí)提出了未來(lái)10年的發(fā)展目標(biāo)：1）必須開(kāi)發(fā)能夠在超低供電電壓（<300mV）下工作的晶體管，以顯著提高能效，為普遍化的AI應(yīng)用提供支持；2）持續(xù)增加晶體管數(shù)量的技術(shù)是可行的，但能源效率的革命性突破將是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

互連縮放的突破：釕線路

隨著晶體管和封裝技術(shù)的持續(xù)微縮，互連已成為半導(dǎo)體體系中的第三個(gè)關(guān)鍵要素。這些互連導(dǎo)線負(fù)責(zé)連接數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的晶體管。然而，我們清晰地看到，銅互連的時(shí)代正逐漸走向尾聲。銅互連存在一個(gè)實(shí)際問(wèn)題：使用時(shí)需要添加阻擋層和籽晶層。隨著尺寸的不斷縮小，這些相對(duì)高電阻的層占據(jù)了更多的可用空間。英特爾觀察到，當(dāng)線寬不斷縮小時(shí)，銅線的電阻率呈指數(shù)級(jí)上升，達(dá)到難以接受的程度。因此，盡管晶體管尺寸越來(lái)越小、密度和性能不斷提升，但傳統(tǒng)的布線方式已無(wú)法滿足連接所有晶體管的需求。

英特爾的突破在于采用具有高成本效益的空氣間隙釕（Ru）線路，作為銅互連的潛在替代方案。這個(gè)空氣間隙解決方案無(wú)需昂貴的光刻技術(shù)，也不需要自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)通孔工藝。它巧妙地將空氣間隙、減法釕工藝和圖案化相結(jié)合，有望打造出合理的下一代互連技術(shù)，使之與未來(lái)的晶體管和封裝技術(shù)相匹配。

這種新工藝在小于25nm的間距下，實(shí)現(xiàn)了在匹配電阻條件下高達(dá)25%的電容降低，有效提升了信號(hào)傳輸速度并減少了功耗。高分辨率的顯微成像展示了釕互連線和通孔的精確對(duì)齊，驗(yàn)證了沒(méi)有發(fā)生通孔突破或嚴(yán)重錯(cuò)位的問(wèn)題。減法釕工藝支持大規(guī)模生產(chǎn)（HVM），通過(guò)消除復(fù)雜的氣隙排除區(qū)和選擇性蝕刻需求，具備實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

寫在最后

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是一個(gè)高度復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，需要各方共同努力才能取得突破。英特爾在封裝、晶體管和互聯(lián)等領(lǐng)域的創(chuàng)新成果，為整個(gè)行業(yè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和啟示。如同Sanjay Natarajan所述，英特爾的目標(biāo)是為整個(gè)行業(yè)提供路線圖，以協(xié)調(diào)和統(tǒng)一我們所有的研發(fā)資金和努力。這樣，下一代產(chǎn)品和服務(wù)就能推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向前發(fā)展，并繼續(xù)推進(jìn)摩爾定律。英特爾確實(shí)始終將自己視為摩爾定律的守護(hù)者，致力于承擔(dān)這一責(zé)任，不斷探索推進(jìn)摩爾定律的新技術(shù)。這不僅是為了英特爾的利益，更是為了整個(gè)行業(yè)的共同利益。

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審核編輯 黃宇