22nm 3D三柵極晶體管技術(shù)詳解

　　本文核心議題：通過本文介紹，我們將對Intel 22nm 3D三柵極晶體管技術(shù)有著詳細(xì)的了解。業(yè)界一直傳說3D三柵級晶體管技術(shù)將會用于下下代14nm的半導(dǎo)體制造，沒想到英特爾竟提前將之用于22nm工藝，并且于上周四向全世界表示將在年底進(jìn)行規(guī)模量產(chǎn)，批量投產(chǎn)研發(fā)代號Ivy BRIDGE的22納米英特爾CPU，并在美國展示了這款處理器。計劃中將有五個22nm制程芯片廠工廠同時轉(zhuǎn)入22nm 3D晶體管制程。如下圖。

　　用了50多年的2D平面硅晶體管將被3D晶體管所取代，這確是一種劃時代的進(jìn)步。雖然其它半導(dǎo)體陣營如IBM也有類似的技術(shù)研究，但此次英特爾是首次宣布已能進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。這一發(fā)布令業(yè)界無不驚嘆：半導(dǎo)體技術(shù)又獲得了新生，摩爾定律又得以延續(xù)。英特爾的確太偉大了，它帶領(lǐng)全球半導(dǎo)體業(yè)又邁上的新的臺階。摩爾定律創(chuàng)始人戈登？摩爾對此次突破性的革命給出了很高的評價： “在多年的探索中，我們已看到晶體管尺寸縮小所面臨的極限。今天這種在基本結(jié)構(gòu)層面上的改變，是一種真正革命性的突破，它能夠讓摩爾定律以及創(chuàng)新的歷史步伐繼續(xù)保持活力?！?/p>

　　什么是3D三柵極晶體管技術(shù)呢？如下圖：22nm3D三柵極晶體管在垂直鰭狀物結(jié)構(gòu)的三個側(cè)面形成導(dǎo)電通道，提供“全耗盡”操作，至此，晶體管已經(jīng)進(jìn)入3D時代。傳統(tǒng)“平面的”2-D平面柵極被超級纖薄的、從硅基體垂直豎起的3-D硅鰭狀物所代替。電流控制是通過在鰭狀物三面的每一面安裝一個柵極而實現(xiàn)的（兩側(cè)和頂部各有一個柵極），而不是像2-D平面晶體管那樣，只在頂部有一個柵極。更多控制可以使晶體管在“開”的狀態(tài)下讓盡可能多的電流通過（高性能），而在“關(guān)”的狀態(tài)下盡可能讓電流接近零（即減少漏電，低能耗），同時還能在兩種狀態(tài)之間迅速切換，進(jìn)一步實現(xiàn)更高性能。

　　就像摩天大樓通過向天空發(fā)展而使得城市規(guī)劃者優(yōu)化可用空間一樣，英特爾的3-D三柵極晶體管結(jié)構(gòu)提供了一種管理晶體管密度的方式。由于這些鰭狀物本身是垂直的，晶體管也能更緊密地封裝起來——這是摩爾定律追求的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵點所在。未來，設(shè)計師還可以不斷增加鰭狀物的高度，從而獲得更高的性能和能效。

　　目前幾種主流3D晶體管技術(shù)的比較

　　“事實上，英特爾在十年前就已成功研發(fā)出單鰭片晶體管，隨后研出發(fā)多鰭片晶體管、三柵極SRAM單元以及三柵極RMG流程（如下圖）。這為今天英特爾推出大規(guī)模量產(chǎn)的三柵極CPU作好了充分的準(zhǔn)備?！庇⑻貭柤夹g(shù)與制造事業(yè)部亞洲區(qū)發(fā)言人柯必杰（Kirby Jefferson）在上周北京的記者會上表示，“所以，我們說能大規(guī)模生產(chǎn)，是表示我們的生產(chǎn)良率、缺陷率等參數(shù)已完全能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求，和目前的32nm工藝的水平已非常接近?！彼Q。

　　他還比較了英特爾的3D三柵極技術(shù)與其它兩種3D晶體管技術(shù)的區(qū)別。“3D三柵極晶體管技術(shù)優(yōu)于Bulk，PDSOI以及FDSOI技術(shù)?！彼忉專瑢τ贐ulk晶體管技術(shù)，襯底電壓在反型層（源漏電流在其上流動）施加某些電氣影響，襯底電壓的影響降級電氣次臨界斜率（晶體管關(guān)閉特征），是未完全耗盡的方式；部分耗盡的 SOI（PDSOI），浮體在反型層施加某些電氣影響，降級次臨界斜率，也是未完全耗盡；全耗盡SOI（FDSOI），浮體消除，而次臨界斜率提高，需要昂貴的超薄 SOI 晶圓，這讓整體制程成本增加了大約 10%。而英特爾的全耗盡型3D三柵極晶體管，柵極從三個側(cè)面控制硅鰭狀物，提高次臨界斜率，反型層面積增加，用于更高的驅(qū)動電流， 制程成本只增加 2-3%。

注：改圖是晶體管的操作過程，能達(dá)到高性能、低功耗的狀態(tài)，在開的狀態(tài)下讓盡可能多的電流通過，在關(guān)的狀態(tài)下盡可能讓電流接近零
在兩種狀態(tài)間的話就能迅速切換從而達(dá)到高性能的目的。單晶體管功耗下降50%，性能提升37%