半導體未來三大支柱：先進封裝、晶體管和互連

英特爾在前沿技術領域的探索和布局具有行業(yè)標桿意義，其發(fā)布的技術路線圖和成果為半導體行業(yè)提供了重要參考方向。

在IEDM 2024大會上，英特爾發(fā)布了7篇技術論文，展示了多個關鍵領域的創(chuàng)新進展。這些技術涵蓋了從FinFET到2.5D和3D封裝（EMIB、Foveros、Foveros Direct），即將在Intel 18A節(jié)點應用的PowerVia背面供電技術，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的先進封裝技術，為推動行業(yè)發(fā)展提供了新的視角。

在這些前沿技術中，三個核心領域尤為值得關注：面向AI發(fā)展的先進封裝、晶體管微縮技術和互連微縮技術。在IEDM 2024大會上，英特爾代工高級副總裁兼技術研究總經理Sanjay Natarajan詳細介紹了這些領域的關鍵突破。

先進封裝的突破：選擇性層轉移技術

異構集成已經成為當今芯片界的主流實現性能提升的手段。但是異構集成技術面臨著很大的挑戰(zhàn)。當前異構集成技術主要采用“晶圓對晶圓鍵合”（Wafer-to-Wafer HB）或“芯片對晶圓鍵合”（Chip-to-Wafer HB），會因順序裝配芯粒而導致吞吐量、芯片尺寸和厚度受限。

英特爾通過選擇性層轉移（Selective Layer Transfer）技術，突破了當前異構集成的技術瓶頸。這項技術能夠以超高效率完成超過15,000個芯粒的并行轉移，僅需幾分鐘即可實現相較于傳統(tǒng)方法數小時或數天的提升。其創(chuàng)新性地實現了亞微米級芯粒的轉移，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集成架構，使得處理器與存儲器技術的混合搭配成為可能。Intel Foundry率先采用無機紅外激光脫鍵技術，實現了芯粒轉移的技術突破，推動了旗艦AI產品開發(fā)所需的先進異構集成技術的發(fā)展。

英特爾代工高級副總裁技術研究總經理Sanjay Natarajan表示：“我們有理由期待這一技術能夠像PowerVia背面供電技術一樣在業(yè)內普及。我們將積極開創(chuàng)并推動這項技術的發(fā)展，我認為我們會看到業(yè)內領先企業(yè)都逐步采用這一技術。”

面向AI時代，英特爾提出了全面的封裝解決方案，以實現AI系統(tǒng)的大規(guī)模量產。除了選擇性層轉移技術，英特爾還聚焦于：

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

混合鍵合（hybrid bonding）互連的間距縮放：實現異構組件間的高能效和高帶寬密度連接。

模塊化系統(tǒng)的擴展：通過連接解決方案降低網絡延遲和帶寬限制。

GAA晶體管的突破：物理和二維材料

晶體管技術的進步一直以來都是英特爾的主業(yè)之一，英特爾的目標是到2030年實現一萬億晶體管的宏偉目標。

Intel展示了其在Gate-All-Around（GAA）RibbonFET晶體管上的技術突破，成功將柵極長度縮小至6nm，并實現1.7nm硅通道厚度。通過對硅通道厚度和源漏結的精準工程設計，有效減少了漏電流和器件退化，提高了晶體管在極短柵極長度下的性能穩(wěn)定性。英特爾研究數據顯示，與其他先進節(jié)點技術相比，在6nm柵極長度下，RibbonFET在短柵極長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實現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鍵參數，右圖是柵極長度與電子速度關系圖

這一進展展示了在短溝道效應優(yōu)化方面的行業(yè)領先水平，這為未來更高密度、更低功耗的芯片設計奠定了基礎，同時推動了摩爾定律的持續(xù)發(fā)展，滿足了下一代計算和AI應用對半導體性能的嚴苛需求。

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

據Sanjay Natarajan的介紹，具體而言，英特爾在GAA技術中引入了二維（2D）NMOS和PMOS晶體管，該晶體管以二維MoS2為溝道材料，結合高介電常數的HfO2作為柵氧化層，通過ALD（原子層沉積）工藝實現精確控制。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之間的結構集成，其整體厚度在納米級別，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）達到900μA/μm以上，能夠顯著提升柵極對溝道的控制能力。

右側的圖表中將Intel的研究結果（THIS WORK）與其他同類研究進行了對比，顯示在驅動電流和次閾值擺幅上的明顯優(yōu)勢。

英特爾的研究驗證了結合GAA架構和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，晶體管數量的指數級增長趨勢，符合摩爾定律，從微型計算機到數據中心，晶體管數量每兩年翻倍。但是，隨著AI工作負載的持續(xù)增加，AI相關能耗可能會在2035年超越美國當前的總電力需求，能源瓶頸成為未來計算發(fā)展的關鍵挑戰(zhàn)。因此，未來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）納米帶結構的晶體管，其9nm厚度和結合氧化物界面的創(chuàng)新設計，為實現低功耗和高效傳輸奠定了基礎。Intel進一步研究結合高介電常數材料和新型界面工程，以開發(fā)更加節(jié)能高效的下一代晶體管。

英特爾也呼吁整個行業(yè)共同推動晶體管技術的革命，以滿足萬億晶體管時代中AI應用的需求。通過對過去60年晶體管發(fā)展的總結，Intel同時提出了未來10年的發(fā)展目標：1）必須開發(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應用提供支持；2）持續(xù)增加晶體管數量的技術是可行的，但能源效率的革命性突破將是未來發(fā)展的重點。

互連縮放的突破：釕線路

隨著晶體管和封裝技術的持續(xù)微縮，互連已成為半導體體系中的第三個關鍵要素。這些互連導線負責連接數以萬億計的晶體管。然而，我們清晰地看到，銅互連的時代正逐漸走向尾聲。銅互連存在一個實際問題：使用時需要添加阻擋層和籽晶層。隨著尺寸的不斷縮小，這些相對高電阻的層占據了更多的可用空間。英特爾觀察到，當線寬不斷縮小時，銅線的電阻率呈指數級上升，達到難以接受的程度。因此，盡管晶體管尺寸越來越小、密度和性能不斷提升，但傳統(tǒng)的布線方式已無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。這個空氣間隙解決方案無需昂貴的光刻技術，也不需要自動對準通孔工藝。它巧妙地將空氣間隙、減法釕工藝和圖案化相結合，有望打造出合理的下一代互連技術，使之與未來的晶體管和封裝技術相匹配。

這種新工藝在小于25nm的間距下，實現了在匹配電阻條件下高達25%的電容降低，有效提升了信號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齊，驗證了沒有發(fā)生通孔突破或嚴重錯位的問題。減法釕工藝支持大規(guī)模生產（HVM），通過消除復雜的氣隙排除區(qū)和選擇性蝕刻需求，具備實際應用的經濟性和可靠性。

寫在最后

半導體產業(yè)是一個高度復雜的生態(tài)系統(tǒng)，需要各方共同努力才能取得突破。英特爾在封裝、晶體管和互連等領域的創(chuàng)新成果，為整個行業(yè)提供了寶貴的經驗和啟示。如同Sanjay Natarajan所述，英特爾的目標是為整個行業(yè)提供路線圖，以協(xié)調和統(tǒng)一我們所有的研發(fā)資金和努力。這樣，下一代產品和服務就能推動整個行業(yè)向前發(fā)展，并繼續(xù)推進摩爾定律。英特爾確實始終將自己視為摩爾定律的守護者，致力于承擔這一責任，不斷探索推進摩爾定律的新技術。這不僅是為了英特爾的利益，更是為了整個行業(yè)的共同利益。