22nm 3D三柵極電晶體技術詳解

2021-01-19

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通過本文介紹，我們將對Intel 22nm3D三柵極電晶體技術有著詳細的了解。

業界一直傳說3D三柵級電晶體技術將會用於下下代14nm的半導體製造，沒想到英特爾竟提前將之用於22nm工藝，並且於上周四向全世界表示將在年底進行規模量產，批量投產研發代號Ivy BRIDGE的22納米英特爾CPU，並在美國展示了這款處理器。

計劃中將有五個22nm製程晶片廠工廠同時轉入22nm 3D電晶體製程。

如下圖。

用了50多年的2D平面矽電晶體將被3D電晶體所取代，這確是一種劃時代的進步。

雖然其它半導體陣營如IBM也有類似的技術研究，但此次英特爾是首次宣布已能進行大規模量產。

這一發布令業界無不驚嘆：半導體技術又獲得了新生，摩爾定律又得以延續。

英特爾的確太偉大了，它帶領全球半導體業又邁上的新的台階。

摩爾定律創始人戈登？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，我們已看到電晶體尺寸縮小所面臨的極限。

今天這種在基本結構層面上的改變，是一種真正革命性的突破，它能夠讓摩爾定律以及創新的歷史步伐繼續保持活力。

」

什麼是3D三柵極電晶體技術呢？如下圖：22nm3D三柵極電晶體在垂直鰭狀物結構的三個側面形成導電通道，提供「全耗盡」操作，至此，電晶體已經進入3D時代。

傳統「平面的」2-D平面柵極被超級纖薄的、從矽基體垂直豎起的3-D矽鰭狀物所代替。

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的（兩側和頂部各有一個柵極），而不是像2-D平面電晶體那樣，只在頂部有一個柵極。

更多控制可以使電晶體在「開」的狀態下讓儘可能多的電流通過（高性能），而在「關」的狀態下儘可能讓電流接近零（即減少漏電，低能耗），同時還能在兩種狀態之間迅速切換，進一步實現更高性能。

就像摩天大樓通過向天空發展而使得城市規劃者優化可用空間一樣，英特爾的3-D三柵極電晶體結構提供了一種管理電晶體密度的方式。

由於這些鰭狀物本身是垂直的，電晶體也能更緊密地封裝起來——這是摩爾定律追求的技術和經濟效益的關鍵點所在。

未來，設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電晶體技術的比較

「事實上，英特爾在十年前就已成功研發出單鰭片電晶體，隨後研出發多鰭片電晶體、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模量產的三柵極CPU作好了充分的準備。

」英特爾技術與製造事業部亞洲區發言人柯必傑（Kirby Jefferson）在上周北京的記者會上表示，「所以，我們說能大規模生產，是表示我們的生產良率、缺陷率等參數已完全能滿足大規模生產的要求，和目前的32nm工藝的水平已非常接近。

」他稱。

他還比較了英特爾的3D三柵極技術與其它兩種3D電晶體技術的區別。

「3D三柵極電晶體技術優於Bulk，PDSOI以及FDSOI技術。

」他解釋，對於Bulk電晶體技術，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（電晶體關閉特徵），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，這讓整體製程成本增加了大約 10%。

而英特爾的全耗盡型3D三柵極電晶體，柵極從三個側面控制矽鰭狀物，提高次臨界斜率，反型層面積增加，用於更高的驅動電流，製程成本只增加 2-3%。

註：改圖是電晶體的操作過程，能達到高性能、低功耗的狀態，在開的狀態下讓儘可能多的電流通過，在關的狀態下儘可能讓電流接近零

在兩種狀態間的話就能迅速切換從而達到高性能的目的。

單電晶體功耗下降50%，性能提升37%

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