为先进制程工艺演进筑基！英特尔代工多领域相关技术突破浅析

来源：中关村在线

【ZOL中关村在线原创技术解析】近日，Intel Foundry（英特尔代工）公布了其在“用于片上去耦电容的金属-绝缘体-金属（MIM）材料方面”取得的突破性进展。而得益于该项技术的突破，有望解决先进半导体制造中的一个关键挑战——在晶体管不断缩小的同时，确保供电稳定。

了解半导体技术的朋友都知道，当晶体管微缩到纳米级之后，供电稳定性就一直是关系芯片性能和可靠性的关键因素。当下，英特尔即将通过Intel 18A制程工艺将先进制程从纳米时代推向埃米时代，晶体管尺寸的进一步微缩虽然可以降低电压，但是对于瞬时电流的需求也将不断增加，因此非常容易导致电压波动引发的计算错误甚至系统崩溃。同时，晶体管尺寸越小，对于“电源噪声”愈加敏感，微小的电压波动都会更加显著地影响其开关速度和功耗，从而诱发稳定性问题。

而为了解决这一问题，英特尔代工的研究人员展示了三种前景光明的MIM堆叠材料，包括：铁电铪锆氧化物（HZO）、氧化钛（TiO）以及钛酸锶（STO）。这些材料可以被应用于去耦电容，并且与标准芯片后端制造工艺兼容。其每平方微米60至98fF/μm²（飞法拉）的平面电容值，在不牺牲可靠性指标（如漏电、电容漂移、击穿电压）的前提下，相比当前先进技术实现了电容值的大幅提升。并且尤为重要的是，这些MIM堆叠材料在可靠性方面更加出色，漏电水平比业界目标低1000倍，能够高效滤除电源噪声，确保供电纯净，而且与现有后端制造工艺兼容就意味着可以直接应用于先进制程。这些方案研究证明了在下一代先进CMOS工艺中，一系列稳定、低漏电的MIM电容密度增强技术具有相当的应用潜力。

此外，英特尔代工还在超薄GaN芯粒技术、静默数据错误、微缩二维场效应晶体管（2D FETs）的可靠性、二维场效应晶体管中的选择性边缘工艺以及CMOS微缩等半导体先进制程领域的相关前沿技术层面取得了进展。

在超薄GaN芯粒技术方面，英特尔的研究人员展示了业界领先的基于300毫米硅晶圆打造的功能完整的氮化镓（GaN）芯粒，它主要面向高性能、高密度、高效率的电力电子以及高速射频电子（RF Electronics）应用。这项技术突破实现了仅19微米（?m）的超薄芯粒，它比一根人类头发还要薄。同时还配有完整的集成数字控制电路库，有望解决下一代高性能电力和射频（RF）电子器件在供电与效率方面的挑战。

同时，这项技术具备业界领先的功能完备、片上集成的CMOS数字电路库：从逻辑门、多路复用器、触发器到环形振荡器，全部基于单片集成的氮化镓N型金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（GaN N-MOSHEMT）与硅基 P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（Si PMOS） 工艺实现。

而且在可靠性测试上的表现也极为优异——在时间依赖介质击穿（TDDB）、正偏置温度不稳定性（pBTI）、高温反向偏压（HTRB）以及热载流子注入（HCI）等测试中取得了不错的结果，表明该300毫米GaN MOSHEMT技术能够满足所需的可靠性指标。

在静默数据错误方面，英特尔的研究人员展示了传统制造测试会如何遗漏一些关键缺陷，而这些缺陷会导致数据中心处理器出现静默数据损坏，因此需要采用多样化的功能测试方法来确保大规模部署的可靠性。

此前，多项行业研究表明，由制造缺陷引起的静默数据错误（SDE）或其它形式的静默数据损坏（SDC），可能会在大规模部署于数据中心的系统级芯片（SoC）设备中发生。虽然结构化测试技术（如扫描测试）是制造测试的重要组成部分，但为了满足云数据中心对质量的要求，还必须执行基于系统的功能测试。本研究分享了从多代的服务器SoC中获得的结果，这些结果说明了使用大量多样化功能测试的重要性，例如英特尔Data Center Diagnostic Tool测试套件中所包含的功能测试，用于筛查那些在运行中表现为静默数据错误的缺陷。

在微缩二维场效应晶体管（2D FETs）的可靠性层面，英特尔与维也纳工业大学的研究人员全面测试了两种晶体管技术的稳定性与可靠性：平面和GAA场效应晶体管。这两种器件都采用单层（1-L）二硫化钼（MoS?）沟道，并使用非晶态氧化铪（HfO?）栅极堆叠结构：平面结构的HfO?厚度为4.3 nm，GAA结构为4.5 nm。然而，GAA是微缩的二维场效应晶体管，具有纳米级尺寸，可观测到单个原子电荷俘获事件。

事实上，二维沟道在接近微缩极限的互补场效应晶体管（CFET）结构中，可能在性能上超越硅。然而，在层状范德华（vdW）沟道与栅氧化层之间形成高质量界面，仍然是二维场效应晶体管的一大挑战。

在该项研究中，其主要目标是在滞回效应（hysteresis）、偏压温度不稳定性（BTI）以及随机电报噪声（RTN）测试方面对这两种技术进行比较。这些测试结果将有助于更好地理解氧化层内部以及沟道/绝缘体界面处的陷阱物理机制（trap physics）。

在用于可与晶圆厂工艺兼容的顶接触、替换氧化层以及二维场效应晶体管层间去除的选择性刻蚀工艺方面，过渡金属二硫族化物（TMDs）有两个较少被利用的特性，其一是在某些湿法刻蚀剂中表现出的极高化学稳定性，其二是其独特的各向异性范德华结构。基于此，英特尔和IMEC的研究人员利用这两个特性，实现了对氧化物帽层的选择性凹陷刻蚀，并在300毫米试生产线中制造了具有类镶嵌（damascene）型顶接触的二维场效应晶体管，器件包括单层二硫化钨（WS?）、单层二硫化钼（MoS?）以及多层二硒化钨（WSe?）。

此外，这项技术还扩展应用于替换氧化物堆叠结构，并通过液体插层方法实现了层间的选择性去除，将顶栅的电容等效厚度从2.5nm降低到1.5nm。这些成果构成了二维集成的三个全新的基础技术模块。

英特尔与IMEC的合作，改进了用于源极和漏极接触形成和栅极堆叠集成的技术模块，可与晶圆厂更好地实现兼容（fab-comatible），同时降低了等效氧化层厚度（EOT）。

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