英特爾在前沿技術領域的和布局具有行業(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IEDM2024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、FoverosDirect），即將在Intel18A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IEDM2024大會上，英特爾代工高級副總裁兼技術研究總經理SanjayNatarajan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-WaferHB）或“芯片對晶圓鍵合”（Chip-to-WaferHB），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（SelectiveLayerTransfer）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。IntelFoundry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SanjayNatarajan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?！泵嫦駻I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（memoryintegration）：解決容量、帶寬和延遲瓶頸，提升性能?；旌湘I合（hybridbonding）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（SubthresholdSwing，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SanjayNatarajan的介紹，具體而言，英特爾在GAA技術中引入了二維（）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（THISWORK）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SanjayNatarajan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。