22nm 3D三栅极晶体管技术详解

本文核心议题：通过本文介绍，我们将对Intel22nm3D三栅极晶体管技术有着详细的了解。业界一直传说3D三栅级晶体管技术将会用于下下代14nm的半导体制造，没想到英特尔竟提前将之用于22nm工艺，并且于上周四向全世界表示将在年底进行规模量产，批量投产研发代号Ivy BRIDGE的22纳米英特尔CPU，并在美国展示了这款处理器。计划中将有五个22nm制程芯片厂工厂同时转入22nm 3D晶体管制程。如下图。

　　用了50多年的2D平面硅晶体管将被3D晶体管所取代，这确是一种划时代的进步。虽然其它半导体阵营如IBM也有类似的技术研究，但此次英特尔是首次宣布已能进行大规模量产。这一发布令业界无不惊叹：半导体技术又获得了新生，摩尔定律又得以延续。英特尔的确太伟大了，它带领全球半导体业又迈上的新的台阶。摩尔定律创始人戈登？摩尔对此次突破性的革命给出了很高的评价： “在多年的探索中，我们已看到晶体管尺寸缩小所面临的极限。今天这种在基本结构层面上的改变，是一种真正革命性的突破，它能够让摩尔定律以及创新的历史步伐继续保持活力。”

什么是3D三栅极晶体管技术呢？如下图：22nm3D三栅极晶体管在垂直鳍状物结构的三个侧面形成导电通道，提供“全耗尽”操作，至此，晶体管已经进入3D时代。传统“平面的”2-D平面栅极被超级纤薄的、从硅基体垂直竖起的3-D硅鳍状物所代替。电流控制是通过在鳍状物三面的每一面安装一个栅极而实现的（两侧和顶部各有一个栅极），而不是像2-D平面晶体管那样，只在顶部有一个栅极。更多控制可以使晶体管在“开”的状态下让尽可能多的电流通过（高性能），而在“关”的状态下尽可能让电流接近零（即减少漏电，低能耗），同时还能在两种状态之间迅速切换，进一步实现更高性能。

　　就像摩天大楼通过向天空发展而使得城市规划者优化可用空间一样，英特尔的3-D三栅极晶体管结构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起来——这是摩尔定律追求的技术和经济效益的关键点所在。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。

目前几种主流3D晶体管技术的比较

　　“事实上，英特尔在十年前就已成功研发出单鳍片晶体管，随后研出发多鳍片晶体管、三栅极SRAM单元以及三栅极RMG流程（如下图）。这为今天英特尔推出大规模量产的三栅极CPU作好了充分的准备。”英特尔技术与制造事业部亚洲区发言人柯必杰（Kirby Jefferson）在上周北京的记者会上表示，“所以，我们说能大规模生产，是表示我们的生产良率、缺陷率等参数已完全能满足大规模生产的要求，和目前的32nm工艺的水平已非常接近。”他称。

　　他还比较了英特尔的3D三栅极技术与其它两种3D晶体管技术的区别。“3D三栅极晶体管技术优于Bulk，PDSOI以及FDSOI技术。”他解释，对于Bulk晶体管技术，衬底电压在反型层（源漏电流在其上流动）施加某些电气影响，衬底电压的影响降级电气次临界斜率（晶体管关闭特征），是未完全耗尽的方式；部分耗尽的 SOI（PDSOI），浮体在反型层施加某些电气影响，降级次临界斜率，也是未完全耗尽；全耗尽SOI（FDSOI），浮体消除，而次临界斜率提高，需要昂贵的超薄 SOI 晶圆，这让整体制程成本增加了大约 10%。而英特尔的全耗尽型3D三栅极晶体管，栅极从三个侧面控制硅鳍状物，提高次临界斜率，反型层面积增加，用于更高的驱动电流， 制程成本只增加 2-3%。

注：改图是晶体管的操作过程，能达到高性能、低功耗的状态，在开的状态下让尽可能多的电流通过，在关的状态下尽可能让电流接近零
在两种状态间的话就能迅速切换从而达到高性能的目的。单晶体管功耗下降50%，性能提升37%