半导体未来三大支柱：先进封装、晶体管和互连

最近一段时间以来，芯片巨头英特尔在商业和市场层面经历了诸多挑战。但有一说一，英特尔在前沿技术领域的探索和布局依然具有行业标杆意义，其发布的技术路线图和成果为半导体行业提供了重要参考方向。
 
在IEDM 2024大会上，英特尔发布了7篇技术论文，展示了多个关键领域的创新进展。这些技术涵盖了从FinFET到2.5D和3D封装（EMIB、Foveros、Foveros Direct），即将在Intel 18A节点应用的PowerVia背面供电技术，以及全环绕栅极（GAA）晶体管RibbonFET等。此外，英特尔还揭示了一些面向未来的先进封装技术，为推动行业发展提供了新的视角。
 
在这些前沿技术中，三个核心领域尤为值得关注：面向AI发展的先进封装、晶体管微缩技术和互连微缩技术。在IEDM 2024大会上，英特尔代工高级副总裁兼技术研究总经理Sanjay Natarajan详细介绍了这些领域的关键突破。
 
 
 
先进封装的突破：选择性层转移技术
 
异构集成已经成为当今芯片界的主流实现性能提升的手段。但是异构集成技术面临着很大的挑战。当前异构集成技术主要采用“晶圆对晶圆键合”（Wafer-to-Wafer HB）或“芯片对晶圆键合”（Chip-to-Wafer HB），会因顺序装配芯粒而导致吞吐量、芯片尺寸和厚度受限。
 
英特尔通过选择性层转移（Selective Layer Transfer）技术，突破了当前异构集成的技术瓶颈。这项技术能够以超高效率完成超过15,000个芯粒的并行转移，仅需几分钟即可实现相较于传统方法数小时或数天的提升。其创新性地实现了亚微米级芯粒的转移，支持仅1平方毫米大小、厚度为人类头发1/17的芯粒。这提供了一种灵活且成本效益显著的异构集成架构，使得处理器与存储器技术的混合搭配成为可能。Intel Foundry率先采用无机红外激光脱键技术，实现了芯粒转移的技术突破，推动了旗舰AI产品开发所需的先进异构集成技术的发展。
 
Sanjay Natarajan表示：“我们有理由期待这一技术能够像PowerVia背面供电技术一样在业内普及。我们将积极开创并推动这项技术的发展，我认为我们会看到业内领先企业都逐步采用这一技术。”
 
面向AI时代，英特尔提出了全面的封装解决方案，以实现AI系统的大规模量产。除了选择性层转移技术，英特尔还聚焦于：
 
l 先进内存集成（memory integration）：解决容量、带宽和延迟瓶颈，提升性能。
l 混合键合（hybrid bodning）互连的间距缩放：实现异构组件间的高能效和高带宽密度连接。
l 模块化系统的扩展：通过连接解决方案降低网络延迟和带宽限制。
 
GAA晶体管的突破：物理和二维材料
 
晶体管技术的进步一直以来都是英特尔的主业之一，英特尔的目标是到2030年实现一万亿晶体管的宏伟目标。
 
Intel展示了其在Gate-All-Around（GAA）RibbonFET晶体管上的技术突破，成功将栅极长度缩小至6nm，并实现1.7nm硅通道厚度。通过对硅通道厚度和源漏结的精准工程设计，有效减少了漏电流和器件退化，提高了晶体管在极短栅极长度下的性能稳定性。英特尔研究数据显示，与其他先进节点技术相比，在6nm栅极长度下，RibbonFET在短栅极长度下具备更高的电子迁移率和更优的能效特性。除此之外，RibbonFET实现了最佳的亚阈值摆幅（Subthreshold Swing，SS）和漏电流抑制性能（DIBL）。
 
 
左图是透射电子显微镜（TEM）图像，中间展示看这些晶体管的部分关键参数，右图是栅极长度与电子速度关系图
 
这一进展展示了在短沟道效应优化方面的行业领先水平，这为未来更高密度、更低功耗的芯片设计奠定了基础，同时推动了摩尔定律的持续发展，满足了下一代计算和AI应用对半导体性能的严苛需求。
 
为了推进GAA晶体管技术的发展，英特尔也将目光瞄准了二维半导体材料。
 
据Sanjay Natarajan的介绍，具体而言，英特尔在GAA技术中引入了二维（2D）NMOS和PMOS晶体管，该晶体管以二维MoS2为沟道材料，结合高介电常数的HfO2作为栅氧化层，通过ALD（原子层沉积）工艺实现精确控制。下图的横截面成像清晰展示了栅极金属、HfO₂氧化物和二维MoS2之间的结构集成，其整体厚度在纳米级别，漏源间距（L_SD）小于50nm，次阈值摆幅（SS）低于75mV/d，最大电流性能（I_max）达到900µA/µm以上，能够显著提升栅极对沟道的控制能力。
 
 
右侧的图表中将Intel的研究结果（THIS WORK）与其他同类研究进行了对比，显示在驱动电流和次阈值摆幅上的明显优势。
 
英特尔的研究验证了结合GAA架构和2D材料，晶体管性能堪称飞跃。而且一旦英特尔将基于硅的沟道性能推至极限，采用2D材料的GAA晶体管很有可能会成为下一步发展的合理方向。
 
就英特尔所观察到的而言，晶体管数量的指数级增长趋势，符合摩尔定律，从微型计算机到数据中心，晶体管数量每两年翻倍。但是，随着AI工作负载的持续增加，AI相关能耗可能会在2035年超越美国当前的总电力需求，能源瓶颈成为未来计算发展的关键挑战。因此，未来需要的是新型晶体管。下一代晶体管需要具备超陡次阈值摆幅（低于60mV/dec）和极低的静态漏电流（I_off），支持在超低供电电压（<300mV）下运行。
 
英特尔也在材料和物理层面不断探索，并在IEDM上展示了采用Ge（锗）纳米带结构的晶体管，其9nm厚度和结合氧化物界面的创新设计，为实现低功耗和高效传输奠定了基础。Intel进一步研究结合高介电常数材料和新型界面工程，以开发更加节能高效的下一代晶体管。
 
英特尔也呼吁整个行业共同推动晶体管技术的革命，以满足万亿晶体管时代中AI应用的需求。通过对过去60年晶体管发展的总结，Intel同时提出了未来10年的发展目标：1）必须开发能够在超低供电电压（<300mV）下工作的晶体管，以显著提高能效，为普遍化的AI应用提供支持；2）持续增加晶体管数量的技术是可行的，但能源效率的革命性突破将是未来发展的重点。 
 
互联缩放的突破：钌线路
 
随着晶体管和封装技术的持续微缩，互连已成为半导体体系中的第三个关键要素。这些互连导线负责连接数以万亿计的晶体管。然而，我们清晰地看到，铜互连的时代正逐渐走向尾声。铜互连存在一个实际问题：使用时需要添加阻挡层和籽晶层。随着尺寸的不断缩小，这些相对高电阻的层占据了更多的可用空间。英特尔观察到，当线宽不断缩小时，铜线的电阻率呈指数级上升，达到难以接受的程度。因此，尽管晶体管尺寸越来越小、密度和性能不断提升，但传统的布线方式已无法满足连接所有晶体管的需求。
 
英特尔的突破在于采用具有高成本效益的空气间隙钌（Ru）线路，作为铜互连的潜在替代方案。这个空气间隙解决方案无需昂贵的光刻技术，也不需要自动对准通孔工艺。它巧妙地将空气间隙、减法钌工艺和图案化相结合，有望打造出合理的下一代互连技术，使之与未来的晶体管和封装技术相匹配。
 
这种新工艺在小于25nm的间距下，实现了在匹配电阻条件下高达25%的电容降低，有效提升了信号传输速度并减少了功耗。高分辨率的显微成像展示了钌互连线和通孔的精确对齐，验证了没有发生通孔突破或严重错位的问题。减法钌工艺支持大规模生产（HVM），通过消除复杂的气隙排除区和选择性蚀刻需求，具备实际应用的经济性和可靠性。
 
写在最后
 
半导体产业是一个高度复杂的生态系统，需要各方共同努力才能取得突破。英特尔在封装、晶体管和互联等领域的创新成果，为整个行业提供了宝贵的经验和启示。如同Sanjay Natarajan所述，英特尔的目标是为整个行业提供路线图，以协调和统一我们所有的研发资金和努力。这样，下一代产品和服务就能推动整个行业向前发展，并继续推进摩尔定律。英特尔确实始终将自己视为摩尔定律的守护者，致力于承担这一责任，不断探索推进摩尔定律的新技术。这不仅是为了英特尔的利益，更是为了整个行业的共同利益。