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开启IC新时代 22nm 3D晶体管技术解析

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  【IT168 技术】近年来随着晶体管标称尺寸不断缩小,引领集成电路发展的摩尔定律受到了巨大的威胁。不过英特尔凭借强大的研发实力,硬是将摩尔定律延续下来,在2012推出新一代酷睿处理器——Ivy Bridge,让我们进入22nm时代。

开启集成电路新时代 22nm 3D晶体管技术

  当然Ivy Bridge不仅是第一款量产的22nm制程CPU,而且它也全球第一款3D晶体管处理器。这两项技术的结合,不仅让摩尔定律得以延续,而且也使英特尔在整个芯片制造产业中处于绝对领先的地位。

开启集成电路新时代 22nm 3D晶体管技术

开启集成电路新时代 22nm 3D晶体管技术

开启集成电路新时代 22nm 3D晶体管技术

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突破传统勇于创新 3D晶体管横空出世

  自1947年晶体管问世以来,晶体管技术飞速发展,1971年全球第一个微处理器4004由英特尔公司推出,它采用MOS工艺,片内集成2250个晶体管,晶体管之间的间距是10微米(也就是10000nm)。

  经过了30年的发展后,到2011年我们已进入32nm时代,英特尔32nm Sandy Bridge处理器集成11.6亿个晶体管,是4004的五万多倍,他们之间的性能更是天壤之别,但在晶体管的基本结构上,并没有革命性的改变,直至今天22nm 3D晶体管处理器的出现,才使晶体管的结构发生了翻天覆地的变化。

技术创新带来产业革命 IVB创造PC新方向
▲屏幕晶体管与3D晶体管结构对比

  众所周知,在集成电路中使用最为广泛的晶体管为CMOS,它具有源极(Source)、栅极(Gate)和漏极(Drain)三极,其基本的结构如上图中左侧所示,晶体管的沟道位于栅极下方,沟道为平面2D结构,平行于硅衬底。

  而3D晶体管又称3D Tri-Gate,它是在原有晶体管结构上的一次巨大改变,它沟道的位置位于垂直于硅衬底的鳍(Fin)中,沟道所在位置的鳍周围被三个栅极(Gate)从三个方向所包围起来,这样的设计可更好的控制晶体管的开关、最大程度有效利用晶体管开启状态时的电流(实现最佳性能),在关闭状态时最大程度减少电流(降低漏电)。

开启集成电路新时代 22nm 3D晶体管技术
▲32nm平面晶体管与22nm 3D晶体管照片对比

  从上面的图片中可以清晰的看到,在实际的芯片里面22nm 3D晶体管的鳍(Fin)结构,它的栅极从硅衬底中站立起来,而且图中所示的3D晶体管的结构并联了六个鳍(Fin),这样将多个鳍(Fin)并联的做法,可以增加晶体管的总电流,从而达到提升管子性能的目的。 

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十年磨一剑 攻克四大技术难点

  事实上Ivy Bridge使用的这种3D晶体管结构在十年以前就已经提出,英特尔曾在2002年的IDF上展示了单鳍3D晶体管,在随后的几年里先后展示了多鳍晶体管、三栅极SRAM单元等,直至今日它才得以量产,真正的应用到CPU中。由此可见生产3D晶体管处理器需要非常复杂的制造工艺和非常尖端的技术,从研发到量产一定需要突破非常多的难题,不过从英特尔对外公布的信息来看,主要集中在光刻技术、鳍侧壁离子注入均匀性、鳍边缘粗糙度和寄生电阻/电容的控制四个方面。

十年磨一剑 攻克四大技术难点
▲3D晶体管的发展

  1、光刻技术

  光刻技术是将电路图形传递到单晶表面或介质层上,形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。由于3D晶体管垂直的结构可以有效提升芯片的晶体管密度,所以3D晶体管的鳍可以设计得非常靠近,其间的距离可以达到光刻技术所允许的最小极限,所以要想制造出22nm 3D晶体管就要求光刻机具有更加精准的图像对焦能力。所以光刻技术是制造22nm 3D晶体管的第一道难题,如果无法攻克光刻技术,那么就无法制造22nm 3D晶体管。

十年磨一剑 攻克四大技术难点
▲ASML光刻机NXT:1950i

  2、控制鳍侧壁离子注入均匀性

  离子注入(Plasma Immersion Ion Implantation)是半导体芯片生产的一个非常重要技术,它是为半导体掺杂的过程。对于3D晶体管来说,由于鳍(Fin)垂直于硅衬底的,所以鳍(Fin)两侧源极侧壁由上倒下的掺杂密度的均匀性是3D晶体管的另一个技术难点。

  3、鳍边缘粗糙度

  对于采用3D晶体管技术的集成电路来说,金属栅的厚度、宽度会影响晶体管的性能,所以如何在如此微小的世界里控制数以万计的鳍(Fin)结构,保证每一个鳍(Fin)的高度、宽度以及鳍(Fin)侧壁的粗糙程在一个水平之内,就成为了制造3D晶体管四大难点之一。

十年磨一剑 攻克四大技术难点
▲3D晶体管

  4、寄生电阻/电容的控制

  寄生电阻和寄生电容在电路中是不可避免的,对于采用3D晶体管制造的集成电路来说,同样存在这样的问题,更大的鳍高可以提升管子的电流驱动能力,但是管子的寄生电容会因此而增加。所以具体采用什么样的鳍宽和鳍高尺寸,还要看具体的电路类型。

  不过三栅结构晶体管的有效宽度W等于鳍高的两倍+鳍宽,即2H+W,平面型晶体管的宽度可以彼此不同,但三栅晶体管各个鳍的有效宽度都是相同的,因此当需要晶体管电流较高时,只能采取将多个鳍并联在一起的做法,这样并联多个鳍的做法在获得更大电流的同时可减小寄生电阻的阻值,于是就出现了上面图中所展示的3D晶体管的这种结构。

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3D晶体管性能更高 整体功耗更低 

3D晶体管性能更高 整体功耗更低
▲3D晶体管拥有更大的导通电流和更低

  其实不论是结构上的改变还是工艺制成上的升级,其最终目的都是为了让管子具有更好的性能和更低的功耗。对于22nm 3D晶体管而言,其工作电压Vdd仅为0.7V,这样低的电压是平面晶体管很难达到的水平,而且22nm 3D晶体管拥有更小的延时,这使其在相同的电压下,比32nm平面晶体管性能提升37%。

3D晶体管性能更高 整体功耗更低
▲使在同等电压下,新的22nm 3D Tri-Gate晶体管架构性能也可提升37%

  也正是因为3D晶体管优秀的能耗比,所以英特尔在2012年发布Ivy Bridge酷睿i7处理器中,首次出现了TDP为35W的四核八线程产品,酷睿i7 3612QM。

配备IVB i7处理器 搭载GT650M显卡
▲首款35W酷睿I7四核产品

  酷睿i7 3612QM是英特尔是英特尔新一代移动平台处理器,拥有4个物理核心,支持英特尔超线程技术,是一款22nm 3D晶体管处理器。

3D晶体管性能更高 整体功耗更低
▲性能提升16%

  上面的柱状图为大家展示了新一代采用22nm 3D晶体管处理器与上一代32nm平面晶体管处理器之间的性差距,其中酷睿i7 2630QM为上一代32nm平面晶体管CPU,而酷睿i7 3612QM和i7 3610QM均为新一代22nm 3D晶体管处理器,其中i7 3612QM的TDP为35W,其他两款均为45W,其他参数方面差异不大。所以大家可以看到,新一代22nm 3D晶体管技术确实让我们的电脑性能更强功耗更低。

总结:

  对于一个普通用户来说,采用22nm 3D晶体管技术的处理器确实为我们带来了更强的性能和更低的功耗,让移动终端设备可以更纤薄、电池使用时间更持久。从整个芯片设计制造行业的角度来看,22nm 3D晶体管处理器的量产,让英特尔再次站在行业的最前端,引领集成电路设计制造的新方向。

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