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芯東西12月16日?qǐng)?bào)道,在IEDM2024(2024年IEEE國際電子器件會(huì)議)上,英特爾代工展示了包括先進(jìn)封裝、晶體管微縮、互連縮放等在內(nèi)的多項(xiàng)技術(shù)突破,以助力推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)在下一個(gè)十年及更長遠(yuǎn)的發(fā)展。英特爾通過改進(jìn)封裝技術(shù)將芯片封裝中的吞吐量提升高達(dá)100倍,解決采用銅材料的晶體管在開發(fā)未來制程節(jié)點(diǎn)時(shí)可預(yù)見的互連微縮限制,并繼續(xù)為先進(jìn)的全環(huán)繞柵極(GAA)晶體管及其它相關(guān)技術(shù)定義和規(guī)劃晶體管路線圖。這些技術(shù)進(jìn)展來自負(fù)責(zé)研發(fā)突破性制程和封裝技術(shù)的英特爾代工技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)。在IEDM2024上發(fā)表的部分論文由英特爾代工與其他團(tuán)隊(duì)共同完成。隨著行業(yè)朝著到2030年在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)一萬億個(gè)晶體管的目標(biāo)前進(jìn),先進(jìn)封裝、晶體管微縮、互連微縮等技術(shù)突破對(duì)于未來滿足更高性能、更高能效、更高成本效益的計(jì)算應(yīng)用需求至關(guān)重要。一、先進(jìn)封裝:異構(gòu)集成新方案,將吞吐量提升多達(dá)100倍英特爾代工匯報(bào)了一種用于先進(jìn)封裝的異構(gòu)集成解決方案——選擇性層轉(zhuǎn)移(SelectiveLayerTransfer,SLT),可以在芯片封裝中將吞吐量提升高達(dá)100倍,實(shí)現(xiàn)超快速的芯片間封裝(chip-to-chipassembly)。與傳統(tǒng)的芯片到晶圓鍵合(chip-to-waferbonding)技術(shù)相比,選擇性層轉(zhuǎn)移能夠讓芯片的尺寸變得更小,縱橫比變得更高。該解決方案的基本思路是以晶圓到晶圓連接的吞吐量,實(shí)現(xiàn)芯片到晶圓連接的靈活性和能力,能夠以更高的靈活性集成超薄芯粒,還帶來了更高的功能密度,并可以結(jié)合混合鍵合(hybridbonding)或融合鍵合(fusionbonding)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。這為AI應(yīng)用提供了一種更高效、更靈活的架構(gòu)。相應(yīng)的技術(shù)論文名為《選擇性層轉(zhuǎn)移:業(yè)界領(lǐng)先的異構(gòu)集成技術(shù)》,作者包括AdelElsherbini、TusharTalukdar、ThomasSounart等人。二、晶體管微縮:持續(xù)縮短?hào)艠O長度,探索用新材料替代硅晶體管技術(shù)進(jìn)步一直是英特爾的主業(yè)之一。在最先進(jìn)的全環(huán)繞柵極(GAA)晶體管方面,英特爾代工展示了硅基RibbionFETCMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù),以及用于微縮的場效應(yīng)晶體管(2DFETs)的柵氧化層(gateoxide)模塊,以提高設(shè)備性能。為了將RibbonFETGAA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6nm、硅層厚度僅為1.7nm的硅基RibbonFETCMOS晶體管,在大幅縮短?hào)艠O長度和減少溝道厚度的同時(shí),在對(duì)短溝道效應(yīng)的抑制和性能上達(dá)到了業(yè)界領(lǐng)先水平。英特爾代工正在研究一個(gè)漸進(jìn)式的發(fā)展步驟,將溝道材料由傳統(tǒng)材料替換為其它材料,比如2D材料。他們判斷一旦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。為了在CFET(互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管)之外進(jìn)一步加速GAA技術(shù)創(chuàng)新,英特爾代工展示了其在2DGAANMOS(N型金屬氧化物半導(dǎo)體)和PMOS(P型金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管制造方面的研究,側(cè)重于柵氧化層模塊的研發(fā),將晶體管的柵極長度微縮到了30nm。該研究還報(bào)告了行業(yè)在2DTMD(過渡金屬二硫化物)半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究進(jìn)展,此類材料未來有望在先進(jìn)晶體管工藝中成為硅的替代品。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(qiáng),也能承受更高的電壓和溫度。英特爾代工團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域,硅材料在電力傳輸方面快達(dá)到極限,而以300毫米GaN(氮化鎵)為代表的其他材料體系是頗具吸引力的替代選擇。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(yè)界領(lǐng)先的高性能微縮增強(qiáng)型GaNMOSHEMT(金屬氧化物半導(dǎo)體高電子遷移率晶體管)。GaN-on-TRSOI等工藝上較為先進(jìn)的襯底,可以通過減少信號(hào)損失,提高信號(hào)線性度和基于襯底背部處理的先進(jìn)集成方案,為功率器件和射頻器件等應(yīng)用帶來更強(qiáng)的性能。三、互連縮放:改善芯片內(nèi)互連,最高將線間電容降低25%銅互連的時(shí)代即將走向尾聲。隨著線寬不斷縮小,銅線的電阻率呈指數(shù)級(jí)上升,以至到難以接受的程度。當(dāng)晶體管尺寸不斷縮小,使其越來越密集、功能越來越強(qiáng)大時(shí),卻沒有能將所有這些晶體管連接在一起所需的布線。取得突破的一個(gè)方法是減成法釕互連技術(shù)(subtractiveRuthenium)。在間距小于或等于25nm時(shí),采用減成法釕互連技術(shù)實(shí)現(xiàn)的空氣間隙最高可將線間電容降低25%,有助于改善芯片內(nèi)互連,提升芯片性能。具體而言,減成法釕互連技術(shù)通過采用釕這一新型、關(guān)鍵、替代性的金屬化材料,利用薄膜電阻率(thinfilmresistivity)和空氣間隙(airgap),實(shí)現(xiàn)了在互連微縮方面的重大進(jìn)步。英特爾代工率先在研發(fā)測試設(shè)備上展示了一種可行、可量產(chǎn)、具有成本效益的減成法釕互連技術(shù),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(qū)域(lithographicairgapexclusionzone),也不需要使用選擇性蝕刻的自對(duì)準(zhǔn)通孔(self-alignedvia)。這表明該技術(shù)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(yōu)勢。這一解決方案有望在英特爾代工的未來制程節(jié)點(diǎn)中得以應(yīng)用,或能探索出合理的下一代互連技術(shù),使其與下一代晶體管及下一代封裝技術(shù)相適配。相應(yīng)技術(shù)論文名為《利用空氣間隙的減成法釕互連技術(shù)》,作者是AnanyaDutta、AskhitPeer、ChristopherJezewski。結(jié)語:三大創(chuàng)新著力點(diǎn),推動(dòng)AI向能效更高發(fā)展在IEDM2024上,英特爾代工還分享了對(duì)先進(jìn)封裝和晶體管微縮技術(shù)未來發(fā)展的愿景,以下三個(gè)關(guān)鍵的創(chuàng)新著力點(diǎn)將有助于AI在未來十年朝著能效更高的方向發(fā)展:1、先進(jìn)內(nèi)存集成(memoryintegration),以消除容量、帶寬和延遲的瓶頸;2、用于優(yōu)化互連帶寬的混合鍵合;3、模塊化系統(tǒng)(modularsystem)及相應(yīng)的連接解決方案。新型材料還有待進(jìn)一步探索,來增強(qiáng)英特爾代工的PowerVia背面供電技術(shù)在緩解互連瓶頸、實(shí)現(xiàn)晶體管的進(jìn)一步微縮中的作用。這對(duì)于持續(xù)推進(jìn)摩爾定律、推動(dòng)面向AI時(shí)代的半導(dǎo)體創(chuàng)新至關(guān)重要。同時(shí),英特爾代工發(fā)出行動(dòng)號(hào)召,開發(fā)關(guān)鍵性和突破性的創(chuàng)新,持續(xù)推進(jìn)晶體管微縮,推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“萬億晶體管時(shí)代”。英特爾代工概述了對(duì)能夠在超低電壓(低于300毫伏)下運(yùn)行的晶體管的研發(fā),將如何有助于解決日益嚴(yán)重的熱瓶頸,并大幅改善功耗和散熱。其團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,應(yīng)對(duì)能源挑戰(zhàn)的途徑之一,是采用極低供電電壓的高品質(zhì)晶體管,不是僅在研究環(huán)境中制造出一個(gè)這樣的晶體管,而是要制造出數(shù)以萬億計(jì)的此類晶體管,使其具備足夠高的性能、穩(wěn)定性、可重復(fù)性及可靠性,這樣才能用它們來制造產(chǎn)品。

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