英特尔代工四大突破性技术解析：为高性能高密度计算铺路

在近期举办的英特IEEE国际电子器件会议IEDM 2024期间，英特尔代工（Intel Foundry）展示了四项半导体技术领域的尔代突破以及相关研究成果。

包括：减成法钌互连技术，工大高性选择性层转移技术（SLT），突破环绕栅极硅基RibbonFET CMOS晶体管技术以及用于微缩的性技析2D GAA晶体管的栅氧化层技术。

同时，术解针对这些前沿技术，密度英特尔代工提交了七篇相关论文，计算这些论文涵盖模块化计算系统、铺路GAA 2D FETs栅氧化层模块开发、英特GaN MOSHEMT晶体管、尔代TMD界面层对pFET性能影响、工大高性硅基RibbonFET CMOS晶体管、突破选择性层转移异构集成技术以及TMD缺陷与器件性能的性技析相关性研究。

此外，术解英特尔还分享了对先进封装和晶体管微缩技术未来发展的愿景，并且提出先进内存集成、混合键合优化带宽、模块化系统及连接解决方案等创新着力点，以推动AI计算朝着高能效方向发展。

下面我们简单介绍一下这些半导体代工层面的前沿技术，因为在未来的半导体产业发展中，这些技术或将逐步登上舞台，为未来的半导体行业创新和发展奠定基础。

减成法钌互连技术（Subtractive Ruthenium）

该技术是英特尔代工在互连微缩方面的一项重大进步。它依赖于超高纯钌材料，通过特定的工艺步骤，在芯片内部形成互连线，主要作用是可以使芯片设计实现更小的互连线间隔，从而优化芯片内部的互连结构。

不仅如此，英特尔还利用薄膜电阻率（thin film resistivity）、空气间隙（airgap）技术，使得通孔周围不再需要昂贵的光刻空气间隙。

同时避免使用选择性蚀刻的自对准通孔（self-aligned via），当互连间距小于等于25nm时，采用减成法钌互连技术实现的空气间隙，可以使线间电容最高降低25％，以替代铜镶嵌工艺。而线间电容的降低有助于提升信号传输速度和降低功耗，进而改善整体芯片效率。

减成法钌互连技术一方面带来了更高的功能密度，使得芯片能够在更小的空间内实现更复杂的功能。另一方面可以降低生产制造成本，从而促进未来半导体芯片芯片技术的发展。

选择性层转移技术（SLT）

该技术主要面向异构集成，它通过高效整合超薄芯粒（chiplet），实现了芯片的功能密度和封装吞吐量的显著提升。

同时它允许以更高的灵活性集成超薄芯粒，从而显著缩小芯片尺寸、提高纵横比。对比传统的芯片到晶圆键合（chip-to-wafer bonding）技术，选择性层转移技术（SLT）将带来高达100倍的芯片封装吞吐量提升，超快速芯片间封装将不再是纸上谈兵。

利用这项技术，代工厂能够制造出面积为1平方毫米、厚度小于人类头发17倍的芯片，并能在几分钟内完成超过15000个芯片的并行晶圆转移。

它非常适合需要高性能、高集成度和低功耗的芯片应用场景，如AI（人工智能）、HPC（高性能计算）、IoT（物联网）以及5G通信等领域。

硅基RibbonFET CMOS晶体管技术

随着晶体管尺寸的不断缩小，传统的鳍式场效应晶体管（FinFET）技术已经逐渐接近其物理极限。为了克服这一挑战，业界开始探索新的晶体管架构，其中环绕栅极硅基RibbonFET CMOS晶体管技术就是其中的一种重要方案。

该技术通过让栅极全面环绕带状的晶体管沟道，实现了对电流的更精确控制，从而提升了晶体管的性能和稳定性。

英特尔代工能够将环绕栅极（Gate-All-Around）RibbonFET晶体管的栅极长度缩减到6nm、硅厚度缩减到1.7nm，有效降低沟道厚度。

相较于传统的水平堆叠方式，RibbonFET晶体管的沟道可以进行垂直堆叠，再加上栅极长度缩短以及沟道厚度降低，晶体管的开关速度和整体性能提升都能够从中获益。英特尔也在6纳米栅极长度下，通过硅沟道厚度缩放和源极/漏极结轮廓工程，实现了行业领先的短沟道效应。

用于微缩的2D GAA晶体管的栅氧化层

在2D GAA晶体管方面，英特尔也取得了相关进展。2D GAA（Gate-All-Around，环绕栅极）晶体管的栅氧化层是其结构中的关键组成部分，对于晶体管的性能和稳定性具有重要影响。栅氧化层位于栅极和沟道之间，主要作用是绝缘和电场控制。

英特尔代工在相关的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）晶体管制造方面进行了深入研究，并将晶体管的栅极长度微缩到了30nm，有助于进一步提升晶体管性能和稳定性。

此外，栅氧化层通常采用高纯度的二氧化硅材料，英特尔在缩减栅极长度的同时也在2D TMD（过渡金属二硫化物）研究上取得了新进展，未来有望在先进晶体管工艺中替代硅材料。

300mm氮化镓技术新进展

除了上述四大核心技术之外，英特尔在300mm氮化镓（GaN）技术方面也进行了开拓性研究。

作为新兴的用于功率器件和射频（RF）器件的材料，氮化镓相对于硅而言有着更强的性能和更高的电压与温度承受能力，在300毫米GaN-on-TRSOI（富陷阱绝缘体上硅）衬底（substrate）上，英特尔代工制造了业界领先的高性能微缩增强型GaN MOSHEMT（金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管）。

GaN-on-TRSOI等工艺上较为先进的衬底，可以通过减少信号损失，提高信号线性度和基于衬底背部处理的先进集成方案，为功率器件和射频器件等应用带来更强的性能。

结语

英特尔作为行业引领者，不断推进半导体设计与制造，此次展示的技术成果展示了其在满足未来计算应用需求、推动摩尔定律发展和半导体行业进步方面的持续努力，也体现了其在技术创新和行业发展中的重要角色。

同时，英特尔代工还分享了对先进封装和晶体管微缩技术未来发展的愿景，包括：先进内存集成（memory integration），以消除容量、带宽和延迟的瓶颈； 用于优化互连带宽的混合键合；模块化系统（modular system）及相应的连接解决方案。

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