星空-英特尔IEDM 2024技术突破：超快速芯片间封装、业界首创晶体管、减成法钌互连

芯工具12月16日报导，在IEDM 2024（2024年IEEE国际电子器件会议）上，英特尔代工展现了包罗进步前辈封装、晶体管微缩、互连缩放等在内的多项手艺冲破，以助力鞭策半导体行业鄙人一个十年和更久远的成长。 英特尔经由过程改良封装手艺将芯片封装中的吞吐量晋升高达100倍，摸索解决采取铜材料的晶体管在开辟将来制程节点时可预感的互连微缩限制，并继续为进步前辈的全环抱栅极（GAA）晶体管和其它相干手艺界说和计划晶体管线路图。 这些手艺进展来自大责研发冲破性制程和封装手艺的英特尔代工手艺研究团队。在IEDM 2024上颁发的部门论文由英特尔代工与其他团队配合完成。 跟着行业朝着到2030年在单个芯片上实现一万亿个晶体管的方针进步，进步前辈封装、晶体管微缩、互连微缩等手艺冲破对将来知足更高机能、更高能效、更高本钱效益的计较利用需求相当主要。 1、进步前辈封装：异构集成新方案，将吞吐量晋升多达100倍 英特尔代工报告请示了一种用在进步前辈封装的异构集成解决方案——选择性层转移（Selective Layer Transfer, SLT），可以在芯片封装中将吞吐量晋升高达100倍，实现超快速的芯片间封装（chip-to-chip assembly）。 与传统的芯片到晶圆键合（chip-to-wafer bonding）手艺比拟，选择性层转移可以或许让芯片的尺寸变得更小，纵横比变得更高。 该解决方案的根基思绪是以晶圆到晶圆毗连的吞吐量，实现芯片到晶圆毗连的矫捷性和能力，可以或许以更高的矫捷性集成超薄芯粒，还带来了更高的功能密度，并可以连系夹杂键合（hybrid bonding）或融会键合（fusion bonding）工艺，供给更矫捷且本钱效益更高的解决方案，封装来自分歧晶圆的芯粒。 这为AI利用供给了一种更高效、更矫捷的架构。 响应的手艺论文名为《选择性层转移：业界领先的异构集成手艺》，作者包罗Adel Elsherbini、Tushar Talukdar、Thomas Sounart等人。 2、晶体管微缩：延续缩短栅极长度，摸索用新材料替换硅 晶体管手艺前进一向是英特尔的主业之一。 在最早进的全环抱栅极（GAA）晶体管方面，英特尔代工展现了硅基RibbionFET CMOS （互补金属氧化物半导体）手艺，和用在微缩的2D场效应晶体管（2D FETs）的栅氧化层（gate oxide）模块，以提高装备机能。 为了将RibbonFET GAA晶体管的微缩推向更高程度，英特尔代工展现了栅极长度为6nm、硅层厚度仅为1.7nm的硅基RibbonFET CMOS晶体管，在年夜幅缩短栅极长度和削减沟道厚度的同时，在对短沟道效应的按捺和机能上到达了业界领先程度。 英特尔代工正在研究一个渐进式的成长步调，将沟道材料由传统材料替代为其它材料，好比2D材料。他们判定一旦将基在硅的沟道机能推至极限，采取2D材料的GAA晶体管很有可能会成为下一步成长的公道标的目的。 为了在CFET（互补场效应晶体管）以外进一步加快GAA手艺立异，英特尔代工展现了其在2D GAA NMOS（N型金属氧化物半导体）和PMOS（P型金属氧化物半导体）晶体管束造方面的研究，偏重在栅氧化层模块的研发，将晶体管的栅极长度微缩到了30nm。该研究还陈述了行业在2D TMD（过渡金属二硫化物）半导体范畴的研究进展，此类材料将来有望在进步前辈晶体督工艺中成为硅的替换品。 GaN是一种新兴的用在功率器件和射频（RF）器件的材料，相较在硅，它的机能更强，也能承受更高的电压和温度。英特尔代工团队发此刻数据中间范畴，硅材料在电力传输方面快到达极限，而以300毫米GaN（氮化镓）为代表的其他材料系统是颇具吸引力的替换选择。 在300毫米GaN-on-TRSOI（富圈套绝缘体上硅）衬底（substrate）上，英特尔代工制造了业界领先的高机能微缩加强型GaN MOSHEMT（金属氧化物半导体高电子迁徙率晶体管）。GaN-on-TRSOI等工艺上较为进步前辈的衬底，可以经由过程削减旌旗灯号损掉，提高旌旗灯号线性度和基在衬底背部处置的进步前辈集成方案，为功率器件和射频器件等利用带来更强的机能。 3、互连缩放：改良芯片内互连，最高将线间电容下降25% 铜互连的时期行将走向尾声。跟着线宽不竭缩小，铜线的电阻率呈指数级上升，以致到难以接管的水平。当晶体管尺寸不竭缩小，使其愈来愈密集、功能愈来愈壮大时，却没有能将所有这些晶体管毗连在一路所需的布线。 获得冲破的一个方式是减成法钌互连手艺（subtractive Ruthenium）。 在间距小在或等在25nm时，采取减成法钌互连手艺实现的空气间隙最高可将线间电容下降25%，有助在改良芯片内互连，晋升芯片机能。 具体而言，减成法钌互连手艺经由过程采取钌这一新型、要害、替换性的金属化材料，操纵薄膜电阻率（thin film resistivity）和空气间隙（airgap），实现了在互连微缩方面的重猛进步。 英特尔代工率先在研发测试装备上展现了一种可行、可量产、具有本钱效益的减成法钌互连手艺，该工艺引入空气间隙，无需通孔四周昂贵的光刻空气间隙区域（lithographic airgap exclusion zone），也不需要利用选择性蚀刻的自瞄准通孔（self-aligned via）。这注解该手艺作为一种金属化方案，在慎密间距层中替换铜镶嵌工艺的优势。 这一解决方案有望在英特尔代工的将来制程节点中得以利用，或能摸索出公道的下一代互连手艺，使其与下一代晶体管和下一代封装手艺相适配。 响应手艺论文名为《操纵空气间隙的减成法钌互连手艺》，作者是Ananya Dutta、Askhit Peer、Christopher Jezewski。 结语：三年夜立异出力点，鞭策AI向能效更多发展 在IEDM 2024上，英特尔代工还分享了对进步前辈封装和晶体管微缩手艺将来成长的愿景，以下三个要害的立异出力点将有助在AI在将来十年朝着能效更高的标的目的成长： 1、进步前辈内存集成（memory integration），以消弭容量、带宽和延迟的瓶颈；2、用在优化互连带宽的夹杂键合；3、模块化系统（modular system）和响应的毗连解决方案。 新型材料还待进一步摸索，来加强英特尔代工的PowerVia后背供电手艺在减缓互连瓶颈、实现晶体管的进一步微缩中的感化。这对延续推动摩尔定律、鞭策面向AI时期的半导体立异相当主要。 同时，英特尔代工发出步履号令，开辟要害性和冲破性的立异，延续推动晶体管微缩，鞭策实现“万亿晶体管时期”。 英特尔代工概述了对可以或许在超低电压（低在300毫伏）下运行的晶体管的研发，将若何有助在解决日趋严重的热瓶颈，并年夜幅改良功耗和散热。 其团队认为，应对能源挑战的路子之一，是采取极低供电电压的高品质晶体管，不是仅在研究情况中制造出一个如许的晶体管，而是要制造出数以万亿计的此类晶体管，使其具有足够高的机能、不变性、可反复性和靠得住性，如许才能用它们来制造产物。

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