最新FiFET技术，英特尔晶圆代工的关键

6月前

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自IEEE，谢谢。

上周，在VLSI 研讨会上，英特尔详细介绍了将为其高性能数据中心客户提供代工服务奠定基础的制造工艺。在相同的功耗下，intel 3 工艺比之前的intel 4工艺性能提升了 18% 。在公司的路线图中，intel 3 是最后一种使用鳍式场效应晶体管( FinFET )结构的产品，该公司于 2011 年率先推出了这种结构。但它也包括英特尔首次使用一项对其计划至关重要的技术，尽管 FinFET 不再是尖端技术。更重要的是，这项技术对于该公司成为代工厂并为其他公司制造高性能芯片的计划至关重要。

这种材料被称为偶极功函数金属（dipole work-function metal），它允许芯片设计人员选择具有几种不同阈值电压的晶体管。阈值电压是器件开启或关闭的水平。使用intel 3 工艺，单个芯片可以包含具有四种严格控制的阈值电压的器件。这很重要，因为不同的功能在不同的阈值电压下运行效果最佳。例如，缓存存储器通常需要具有高阈值电压的器件，以防止浪费电力的电流泄漏。而其他电路可能需要具有最低阈值电压的最快开关器件。

阈值电压由晶体管的栅极堆栈（控制电流通过晶体管的金属和绝缘层）设定。英特尔代工技术开发副总裁Walid Hafez解释说，从历史上看，“金属的厚度决定了阈值电压。功函数金属越厚，阈值电压越低。”但随着设备和电路的缩小，这种对晶体管几何形状的依赖也带来了一些缺点。

制造过程中的微小偏差可能会改变栅极金属的体积，从而导致阈值电压范围相当宽。这就是intel 3 工艺体现英特尔从只为自己制造芯片转变为以代工厂身份运营的转变的地方。

哈菲兹表示：“外部代工厂的运作方式与英特尔等集成设备制造商截然不同。”代工厂客户“需要不同的东西……他们需要的东西之一就是阈值电压的严格变化。”

英特尔则有所不同，即使没有严格的阈值电压公差，它也可以将性能最好的部件用于数据中心业务，将性能较低的部件用于其他细分市场，从而卖出所有部件。

“很多外部客户不会这么做，”他说。如果一款芯片不符合他们的要求，他们可能不得不放弃它。“因此，intel 3 要想在代工领域取得成功，就必须有非常严格的差异化。”

偶极子永远存在

偶极功函数材料可保证对阈值电压进行必要的控制，而无需担心栅极中有多少空间。它是金属和其他材料的专有混合物，尽管厚度只有几埃，但对晶体管的硅通道却有强大的影响。

和老式厚金属栅极一样，新材料混合物通过静电改变硅的能带结构，从而改变阈值电压。但它是通过在它和硅之间的薄绝缘层中诱导偶极子（电荷分离）来实现的。

由于代工厂客户要求严格控制英特尔，竞争对手台积电和三星很可能已经在其最新的 FinFET 工艺中使用了偶极子。这种结构究竟由什么制成是一个商业秘密，但镧是早期研究中的一个成分，也是比利时微电子研究中心Imec提出的另一项研究中的关键成分。那项研究关注的是如何最好地围绕水平硅带堆栈而不是一两个垂直鳍片来构建材料。

在这些被称为纳米片或全栅晶体管的器件中，每条硅带之间的距离只有几纳米，因此偶极子是必不可少的。三星已经推出了一种纳米片工艺，英特尔的20A工艺计划于今年晚些时候推出。哈菲兹说，在intel 3 中引入偶极子功函数有助于使 20A 及其后继产品18A进入更成熟的状态。