英特爾展示互連微縮技術突破性進展

供稿 / 2024-12-09 17:196554

IEDM 2024（2024年IEEE國際電子器件會議）上，英特爾代工展示了多項技術突破，助力推動半導體行業在下一個十年及更長遠的發展。具體而言，在新材料方面，減成法釕互連技術（subtractive Ruthenium）最高可將線間電容降低25%，有助于改善芯片內互連。英特爾代工還率先匯報了一種用于先進封裝的異構集成解決方案，能夠將吞吐量提升高達100倍，實現超快速的芯片間封裝（chip-to-chip assembly）。此外，為了進一步推動全環繞柵極（GAA）的微縮，英特爾代工展示了硅基RibbionFET CMOS （互補金屬氧化物半導體）技術，以及用于微縮的2D場效應晶體管（2D FETs）的柵氧化層（gate oxide）模塊，以提高設備性能。

隨著行業朝著到2030年在單個芯片上實現一萬億個晶體管的目標前進，晶體管和互連微縮技術的突破以及未來的先進封裝能力正變得非常關鍵，以滿足人們對能效更高、性能更強且成本效益更高的計算應用（如AI）的需求。

我們還需要探索新型的材料，來增強英特爾代工的PowerVia背面供電技術在緩解互連瓶頸，實現晶體管的進一步微縮中的作用。這對于持續推進摩爾定律、推動面向AI時代的半導體創新至關重要。

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英特爾代工已經探索出數條路徑，以解決采用銅材料的晶體管在開發未來制程節點時可預見的互連微縮限制，改進現有封裝技術，并繼續為GAA及其它相關技術定義和規劃晶體管路線圖：

· 減成法釕互連技術：為了提升芯片性能，改善互連，英特爾代工展示了減成法釕互連技術。通過采用釕這一新型、關鍵、替代性的金屬化材料，利用薄膜電阻率（thin film resistivity）和空氣間隙（airgap），實現了在互連微縮方面的重大進步。英特爾代工率先在研發測試設備上展示了一種可行、可量產、具有成本效益的減成法釕互連技術，該工藝引入空氣間隙，無需通孔周圍昂貴的光刻空氣間隙區域（lithographic airgap exclusion zone），也可以避免使用選擇性蝕刻的自對準通孔（self-aligned via）。在間距小于或等于 25 納米時，采用減成法釕互連技術實現的空氣間隙使線間電容最高降低 25%，這表明減成法釕互連技術作為一種金屬化方案，在緊密間距層中替代銅鑲嵌工藝的優勢。這一解決方案有望在英特爾代工的未來制程節點中得以應用。

· 選擇性層轉移（Selective Layer Transfer, SLT）：為了在芯片封裝中將吞吐量提升高達100倍，進而實現超快速的芯片間封裝，英特爾代工首次展示了選擇性層轉移技術，這是一種異構集成解決方案，能夠以更高的靈活性集成超薄芯粒，與傳統的芯片到晶圓鍵合（chip-to-wafer bonding）技術相比，選擇性層轉移讓芯片的尺寸能夠變得更小，縱橫比變得更高。這項技術還帶來了更高的功能密度，并可結合混合鍵合（hybrid bonding）或融合鍵合（fusion bonding）工藝，提供更靈活且成本效益更高的解決方案，封裝來自不同晶圓的芯粒。該解決方案為AI應用提供了一種更高效、更靈活的架構。

· 硅基RibbonFET CMOS晶體管：為了將RibbonFET GAA晶體管的微縮推向更高水平，英特爾代工展示了柵極長度為6納米的硅基RibbonFET CMOS晶體管，在大幅縮短柵極長度和減少溝道厚度的同時，在對短溝道效應的抑制和性能上達到了業界領先水平。這一進展為摩爾定律的關鍵基石之一——柵極長度的持續縮短——鋪平了道路。

· 用于微縮的2D GAA晶體管的柵氧化層：為了在CFET（互補場效應晶體管）之外進一步加速GAA技術創新，英特爾代工展示了其在2D GAA NMOS（N 型金屬氧化物半導體）和PMOS（P 型金屬氧化物半導體）晶體管制造方面的研究，側重于柵氧化層模塊的研發，將晶體管的柵極長度微縮到了30納米。該研究還報告了行業在2D TMD（過渡金屬二硫化物）半導體領域的研究進展，此類材料未來有望在先進晶體管工藝中成為硅的替代品。

在300毫米GaN（氮化鎵）技術方面，英特爾代工也在繼續推進其開拓性的研究。GaN是一種新興的用于功率器件和射頻（RF）器件的材料，相較于硅，它的性能更強，也能承受更高的電壓和溫度。在300毫米GaN-on-TRSOI（富陷阱絕緣體上硅）襯底（substrate）上，英特爾代工制造了業界領先的高性能微縮增強型GaN MOSHEMT（金屬氧化物半導體高電子遷移率晶體管）。GaN-on-TRSOI等工藝上較為先進的襯底，可以通過減少信號損失，提高信號線性度和基于襯底背部處理的先進集成方案，為功率器件和射頻器件等應用帶來更強的性能。

此外，在IEDM 2024上，英特爾代工還分享了對先進封裝和晶體管微縮技術未來發展的愿景，以滿足包括AI在內的各類應用需求，以下三個關鍵的創新著力點將有助于AI在未來十年朝著能效更高的方向發展：

· 先進內存集成（memory integration），以消除容量、帶寬和延遲的瓶頸；

· 用于優化互連帶寬的混合鍵合；

· 模塊化系統（modular system）及相應的連接解決方案

同時，英特爾代工還發出了行動號召，開發關鍵性和突破性的創新，持續推進晶體管微縮，推動實現“萬億晶體管時代”。英特爾代工概述了對能夠在超低電壓（低于300毫伏）下運行的晶體管的研發，將如何有助于解決日益嚴重的熱瓶頸，并大幅改善功耗和散熱。

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