未来半导体：封装革新、晶体管突破、互连革命!

半导体颠覆未来：封装晶体管互连三位一体，引领科技新时代!

科技快讯中文网

　　 英特尔在前沿技术领域的探索和布局具有行业典范作用，其公布的技术路线图和成果为半导体行业指明了重要的发展方向。

　　 在IEDM2024大会上，英特尔展示了七篇技术论文，介绍了多项关键技术的创新成果。这些技术涉及从FinFET到2.5D和3D封装（如EMIB、Foveros、FoverosDirect）等多个领域。此外，英特尔还透露了将在Intel18A节点采用的PowerVia背面供电技术，以及全环绕栅极（GAA）晶体管RibbonFET。同时，英特尔还展示了一些面向未来的先进封装技术，为行业的发展带来了新的启示。

　　 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IEDM2024大会上，英特尔代工高级副总裁兼技术研究总经理Sanjay Natarajan深入剖析了这些领域的最新进展。 英特尔在先进封装技术上的突破为AI应用提供了更高效的硬件支持，这不仅有助于提升计算性能，还可能带来能效比的显著改善。同时，晶体管微缩技术的进展有望进一步缩小芯片尺寸，提高集成度，这对于推动高性能计算至关重要。互连微缩技术的发展则解决了信号传输中的瓶颈问题，使得数据传输速度更快、延迟更低，这对于构建高速互联网络具有重要意义。 总体来看，这些技术进步不仅体现了半导体行业持续创新的能力，也为未来科技发展奠定了坚实的基础。

　　 先进封装的突破：选择性层转移技术

　　 异构集成已成为当今芯片行业提升性能的主要方法。然而，这项技术也面临诸多挑战。目前，异构集成技术主要使用“晶圆对晶圆键合”（Wafer-to-Wafer HB）或“芯片对晶圆键合”（Chip-to-Wafer HB），由于逐个装配芯粒的方式，导致生产效率、芯片尺寸和厚度受到限制。

　　 英特尔利用选择性层转移（Selective Layer Transfer）技术，突破了现有异构集成的技术瓶颈。该技术可以高效地实现超过15,000个芯粒的并行转移，只需几分钟即可完成，而传统方法需要数小时甚至数天。它创新性地实现了亚微米级芯粒的转移，支持尺寸仅为1平方毫米、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。

　　 英特尔代工高级副总裁技术研究总经理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：

　　 先进内存集成（memory integration）：解决容量、带宽和延迟瓶颈，提升性能。

　　 混合键合互连的间距缩小：推动异构组件之间高效能与高带宽密度的连接。

　　 模块化系统的设计理念在于通过灵活的连接方案来减少网络延迟和带宽瓶颈。这种创新的方法不仅提升了数据传输效率，还增强了系统的可扩展性和灵活性。随着技术的进步，模块化系统能够更好地适应未来网络需求的变化，确保用户享受更加流畅和高效的网络体验。 这一设计理念充分体现了现代科技对于提高网络性能的不懈追求。它不仅解决了当前网络环境中普遍存在的延迟和带宽问题，也为未来的网络架构提供了新的思路。通过这种方式，我们或许可以预见一个更加高效、稳定且易于扩展的网络环境的到来。

　　 GAA晶体管的突破：物理和二维材料

　　 英特尔一直以来都以推动晶体管技术的发展为己任，而其长远目标是在2030年前实现单个芯片上集成一万亿个晶体管的宏伟蓝图。 这种对技术创新的不懈追求体现了英特尔在半导体行业的领导地位。随着技术的不断进步，如何在更小的空间内集成更多的晶体管成为了一个巨大的挑战。这不仅需要突破材料科学的限制，还需要在设计和制造工艺上取得重大进展。英特尔设定的这一目标不仅是对其研发能力的考验，也代表了整个行业在未来几年内的发展方向。如果能够成功实现这一目标，将极大地推动计算能力和效率的提升，为人工智能、自动驾驶等前沿科技领域带来革命性的变化。

　　 Intel在其Gate-All-Around（GAA）RibbonFET晶体管技术上取得了重要进展，成功将栅极长度缩减至6纳米，并实现了1.7纳米的硅通道厚度。通过精确设计硅通道厚度和源漏结，有效降低了漏电流和器件退化现象，提升了在极短栅极长度条件下的性能稳定性。根据英特尔的研究数据，在6纳米栅极长度下，RibbonFET在短栅极长度方面表现出更高的电子迁移率和更佳的能效特性。此外，RibbonFET在亚阈值摆动（Subthreshold Swing, SS）和漏电流抑制性能（DIBL）方面也达到了最优水平。

　　 左图展示了透射电子显微镜（TEM）图像，中间部分列出了这些晶体管的一些重要参数，右图则描述了栅极长度与电子速度之间的关系。

　　 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所述，英特尔在GAA技术中引入了二维（2D）NMOS和PMOS晶体管，这些晶体管采用二维MoS2作为沟道材料，并结合高介电常数的HfO2作为栅氧化层，通过ALD（原子层沉积）工艺实现精准控制。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，整体厚度处于纳米级别，漏源间距（L_SD）小于50nm，次阈值摆幅（SS）低于75mV/dec，最大电流性能（I_max）超过900µA/µm，从而显著增强了栅极对沟道的控制能力。

　　 右侧的图表中展示了Intel的研究成果（THISWORK），与同领域的其他研究进行了对比。从图表中可以看出，在驱动电流和次阈值摆幅方面，Intel的研究结果具有显著的优势。这不仅体现了Intel在技术创新方面的持续努力，也预示着其在未来技术竞争中的潜在领先地位。这样的进展无疑为整个行业树立了新的标杆，同时也给消费者带来了更多期待。

　　 英特尔的研究证实，通过结合栅全包围（GAA）架构与二维材料，晶体管性能实现了显著提升。这表明，在硅基沟道性能接近极限时，采用二维材料的GAA晶体管可能成为后续技术演进的一个合理选择。 这种技术上的突破不仅展示了未来半导体行业的发展潜力，也凸显了英特尔在探索新型材料和技术路径方面的持续努力。随着传统硅基技术逐渐逼近其物理极限，寻找替代材料和创新架构变得尤为关键。二维材料因其独特的物理特性，为提升晶体管性能提供了新的可能性。这不仅有助于推动半导体行业的进一步发展，也可能为未来的电子产品带来更强大的性能和更低的能耗。

　　 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。

　　 英特尔在材料和物理领域持续探索，并在IEDM会议上展示了采用Ge（锗）纳米带结构的晶体管。该晶体管仅9纳米厚，并采用了创新的氧化物界面设计，为实现低功耗和高效传输奠定了基础。英特尔进一步研究高介电常数材料与新型界面工程技术，旨在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。

　　 互连缩放的突破：钌线路

　　 随着晶体管和封装技术的不断微缩，互连已经成为半导体体系中的第三大关键要素。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：在使用过程中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。据英特尔观察，当线宽不断缩小时，铜线的电阻率呈指数级上升，达到了难以接受的程度。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经无法满足连接所有晶体管的需求。 这种趋势表明，未来半导体技术的发展将面临新的挑战。为了继续提高芯片性能和降低功耗，我们需要寻找新的材料和工艺来替代传统的铜互连。例如，碳纳米管或石墨烯等新材料可能成为下一代互连技术的关键。此外，研究者们也在探索三维集成技术，以期通过增加垂直互连来解决水平互连的局限性。这些创新不仅能够延续摩尔定律的生命力，还有望为半导体行业带来革命性的进步。

　　 英特尔的一项创新在于使用成本效益较高的空气间隙钌（Ru）线路，作为铜互连的一种有潜力的替代方案。这种空气间隙方法不需要昂贵的光刻技术，也不依赖于复杂的自对准通孔工艺。通过巧妙结合空气间隙、减法钌工艺以及图案化技术，这项技术有望成为下一代互连方案的理想选择，使其更好地适应未来的晶体管和封装技术。

　　 这项新技术在小于25nm的线距下，成功实现了在相同电阻条件下电容减少25%，显著提高了信号传输速度并降低了能耗。高分辨率显微图像显示了钌互连线和通孔的精准对准，证实了不存在通孔穿透或严重错位的情况。减法钌工艺适用于大规模生产（HVM），由于去除了复杂的气隙区域和选择性刻蚀步骤，具备良好的经济性和可靠性。

　　 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实现突破。英特尔在封装、晶体管和互连等方面的技术创新，为整个行业积累了宝贵的经验和启示。正如Sanjay Natarajan所言，英特尔的目标是为全行业制定路线图，以便协调和整合所有研发资源和努力。这样一来，下一代产品和服务就能引领整个行业的发展，并持续推动摩尔定律的进步。英特尔始终自视为摩尔定律的守护者，致力于承担这一责任，不断探索并采用新技术来推进摩尔定律。这不仅对英特尔有利，更是为了整个行业的共同利益。