英特尔的新突破：RibbonFET能带其重回技术巅峰？

芝能智芯出品

英特尔在2024年的IEEE国际电子器件会议（IEDM 2024）上展示了其在晶体管技术领域的最新突破——基于Silicon RibbonFET CMOS的6nm栅极长度技术，代表了当今晶体管设计的最前沿，为持续推动摩尔定律的延展提供了基础。

通过全新的栅极光刻工艺、功函数工程优化以及短沟道效应的有效控制，英特尔展示了其在先进工艺技术上的强大研发实力和创新能力。

在整个半导体行业的竞争格局中，英特尔的这项技术为其重回技术领导地位增添了筹码，但也面临台积电和三星等强劲对手的挑战。

英特尔展示的6nm RibbonFET CMOS技术基于全环绕栅结构，解决了传统FinFET在极小栅极长度下的性能瓶颈问题，其核心技术亮点包括极端缩放能力、功函数工程创新以及领先的注入速度。

RibbonFET实现了6nm栅极长度和1.5nm的纳米带厚度，这不仅显著改善了短沟道效应，还保持了较高的电子迁移率和低阈值电压，从而提升了器件性能。

其次，在功函数工程方面，英特尔通过优化掺杂分布和源/漏结设计，成功解决了极小栅极长度空间内的电压控制难题，实现了低至0V的阈值电压，为低功耗设计提供了可能。

该技术在6nm栅极长度下实现了1.13×10⁷cm/s的电子注入速度，这一速度对于高性能逻辑器件的实现至关重要，为下一代计算平台的性能提升奠定了坚实基础。

这些创新共同构成了英特尔RibbonFET技术的核心竞争力，展示了其在先进制程技术领域的领先地位。

6纳米栅极长度的Silicon RibbonFET CMOS晶体管，挑战了硅基器件沟道厚度极限，还显著提升了性能，并有效抑制了短沟道效应。

随着摩尔定律的推进，传统Si FinFET结构逐渐接近其物理缩放极限，而水平环栅（GAA）Ribbon FET结构则被视为解决这一问题的关键。为了准确评估“真实”的短沟道效应和性能变化，研究团队开发了一种创新的单纳米带载体（1NR），其中源极/漏极与子鳍断开。

这种设计确保了对晶体管尺寸的准确认知和对纳米带特性的精确探测，在Tsi（硅厚度）为3纳米时，短沟道效应得到了改善，而性能损失最小化。当Tsi低于3纳米时，表面粗糙度散射开始影响传输效率，这意味着存在一个最佳的硅厚度范围以平衡性能与控制。

此外，功函数工程的应用使得即使在高度缩放的栅极长度下也能降低阈值电压，并补偿因量子约束导致的阈值电压升高。这对于保持低能耗和高性能至关重要。

实验首次测定了6纳米栅长下的电子注入速度，达到了1.13×10^7厘米/秒，在不同Tsi条件下几乎没有衰减，证明了新型晶体管的良好特性。研究特别关注了结点优化，包括针对掺杂剂分布和扩散的S/D结改进，以及功函数金属的选择。

这些措施有助于提高电导率约34%，并确保在非常小的栅槽中实现较低的阈值电压。这些发现对于未来逻辑器件的发展方向提供了宝贵的见解，即通过优化材料选择、结构设计和制造工艺来继续推动晶体管尺寸的微缩。

该研究还探讨了在极缩放的栅极长度下Ribbon FET的“真实”行为。开发的1NR确保了对晶体管尺寸的准确认知和对纳米带特性的精确探测。横截面TEM图像和ID-VG特性显示了改进的亚阈值斜率和子鳍断开时的准确性能。合理的峰值电子迁移率为210cm²/V-s，表明晶体管是健康的，且得益于NMOS的高迁移率和150Ω-µm的低Rext，可获得2300 µS/µm的短沟道跨导。

通过对NMOS和PMOS进行了系统的Tsi缩放，研究揭示了短沟道效应、迁移率和阈值电压之间的复杂关系。例如，DIBL（阈值电压摆幅）随着硅厚度（Tsi）的降低而提高，但在Tsi = 4nm以下达到饱和。PMOS的DIBL比NMOS高，因为PMOS的S/D端部更深，突出了DIBL对S/D结轮廓的敏感性。

此外，VT（阈值电压）与硅厚度的关系也显示，当Tsi被缩放到4nm以下时，N/P MOS的阈值电压由于量子限制增加了~200mV。

然而，通过有效的功函数工程，成功地补偿了阈值电压的增加，使VT在6nm的大尺寸栅槽中降低了250mV。采用功函数工艺创新，在Tsi =1.5 nm和Lg = 6nm处实现了0V的低VT。

研究团队通过栅极光刻和虚拟多晶硅刻蚀工艺的创新，实现了10nm以下栅极长度的缩放。

高分辨率TEM图像展示了不同Tsi条件下的优异栅极轮廓，证明了精心优化的栅极图案/蚀刻工艺的重要性，实验结果CV、ID-VG和ID-VD以及使用MVS拟合的模型之间的一致性，进一步验证了研究的有效性和可靠性。

6nm RibbonFET的成功开发表明晶体管微缩仍有广阔的探索空间，为摩尔定律的延续提供了新的路径，使得更小、更快、更高效的芯片成为可能。这项技术通过结构优化有效解决了当前半导体行业在10nm以下制程中面临的短沟道效应和量子效应问题，为先进逻辑工艺的发展开辟了新方向。

英特尔计划在其代工服务中采用RibbonFET技术，旨在与台积电和三星等主要竞争对手展开正面竞争，重新夺回市场份额，这不仅有助于巩固其在全球半导体市场的地位，也将促进整个行业的技术进步。

英特尔仍面临工艺复杂性增加、竞争环境严峻以及生态系统建设滞后等挑战。

◎ 将制程缩放至6nm需要极高的设备精度和工艺控制水平，增加了研发和生产的成本。

◎ 与此同时，面对台积电3nm制程的大规模量产和三星在GAA技术上的快速进展，英特尔必须加速技术商业化以保持竞争力。

◎ 与台积电强大的上下游整合能力相比，英特尔在构建生态系统方面还有待加强，需要进一步深化与材料和设备供应商的合作，以确保供应链的安全性和稳定性。

英特尔在IEDM 2024上展示的6nm RibbonFET技术标志着其在先进逻辑工艺上的重要里程碑。

这项技术不仅延续了摩尔定律的可能性，还为英特尔重新赢得市场地位提供了技术支撑，面对台积电和三星的强劲竞争，英特尔需要在工艺良率、成本控制和商业化速度上进一步努力！