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英特尔3D结构晶体管的原理 |
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作者： 来源：日经BP社 |
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英特尔5月5日在其北京的中国研究院宣布，22nm三栅极（Tri-Gate）的革命性3D晶体管将批量生产，还将在2011年底前批量投产研发代号为Ivy Bridge的22nm微处理器芯片，首先用于笔记本电脑、服务器和台式机。其革命性体现在把已延续了50多年的2D平面晶体管结构突破到了3D结构且可批量生产，这堪称一个里程碑式的标志。目前，除了英特尔之外，还没有其他任何一家厂商可以做到这一点。
虽然英特尔没有公布3D结构晶体管用于低功耗凌动处理器的具体时间表，但英特尔大连芯片厂总经理兼技术与制造事业部亚洲区发言人Kirby Jefferson表示：“会很快。”由此可以预期，一旦采用3D三栅极晶体管的凌动处理器进入市场，在低功耗、低成本的嵌入式领域必将掀起一场滔天巨浪。届时，I-A（英特尔与ARM）大战将正式进入贴身白热化的程度，ARM将面临来自22nm工艺3D三栅极晶体管技术的强劲挑战。
随着英特尔3D三栅极晶体管消息的发布，ARM股价应声狂跌了7.3%，而英特尔股价则趁势上涨了1.95%。不管未来I-A战役双方胜负结果如何，可以肯定的是，消费者将会享受到价格更低、功耗更小、性能更高的嵌入式消费电子产品带来的愉悦体验。
下面来看看3D三栅极晶体管的技术特性。在低电压时，22nm工艺的3D三栅极晶体管比此前的32nm平面晶体管栅极延迟，即开关速度快了37%，功耗降低了50%。
图1 英特尔3D三栅极晶体管结构图
那么上述特性是如何实现的呢？传统扁平的2D平面晶体管只在顶部有一个栅极，英特尔的研发人员将2D平面栅极“拔”高成了相当薄的、从硅基体垂直竖起的3D硅鳍状物（见图1）。这样，在鳍状物的两侧和顶部各有一个栅极，形成导电通道，增加了反型层面积，提高了次临界斜率，降低了漏电流和临界电压，进而实现电流控制。使晶体管在“开”的状态下让尽可能多的电流通过，而在“关”的状态下尽可能让电流接近零，降低了功耗；同时还能在两种状态之间迅速切换，开关速度快就可以提高晶体管性能。这种情况下，制造成本只增加了2-3%。英特尔3D三栅极晶体管与32nm平面晶体管对比、3D三栅极晶体管与2D平面晶体管的通道电流与栅极电压特性曲线比较分别如图2和图3所示。
图2 英特尔22nm 3D三栅极晶体管与32nm平面晶体管对比
图3 英特尔3D三栅极晶体管与传统2D平面晶体管的通道电流与栅极电压特性曲线比较
另外，由于Bulk 晶体管、部分耗尽型SOI（PDSOI）晶体管属于未完全耗尽型晶体管，而全耗尽型SOI（FDSOI）需要昂贵的超薄SOI 晶圆，整体制程成本增加了大约 10%。因此，英特尔没有采用上述技术。
3D三栅极晶体管结构还提供了一种管理晶体管密度的方式，由于这些鳍状物本身是垂直的，晶体管也能更紧密地封装，这是摩尔定律追求的技术和经济效益的关键所在。未来，设计师还可以不断增加鳍状物的高度，从而获得更高的性能和能效。
据悉，英特尔专门在全球同步的美国发布会上展示了22nm工艺的Ivy Bridge微处理器，可用于笔记本电脑、服务器和台式机。基于Ivy Bridge的酷睿系列处理器将是首批采用3D三栅极晶体管进行批量生产的芯片。(end)
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(5/6/2011) |
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