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Intel 22nm 3D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%

　　与之前的32纳米平面晶体管相比，22纳米3-D三栅极晶体管在低电压下将性能提高了37%，而功耗下降一半。无疑，这一巨大的改进意味着它们将是英特尔进入小型手持设备的杀手武器。“采用这种技术的终端，仅要求晶体管在运行时只用较少的电力进行开关操作。全新的晶体管只需消耗不到一半的电量，就能达到与32纳米芯片中2-D平面晶体管一样的性能。”柯比表示，“低电压和低电量的好处，远远超过我们通常从一代制程升级到下一代制程时所得到的好处。它将让产品设计师能够灵活地将现有设备创新得更智能，并且有可能开发出全新的产品。”

　　显然，这个全新的22nm技术，将是英特尔在手持设备市场与ARM阵营决一死战的重要筹码与武器。虽然此次只是宣布了ivy BRIDGE处理器的量产，并没有表示嵌入式CPU何时引入22nm，但是柯比对昌旭表示：“我们每一代新的工艺上，由桌面CPU引入，再引入到嵌入式CPU。这个时间差在每一代工艺上都会缩小。”他的话好像给出了一种暗示。如今在手持设备市场，英特尔被赋予太多的责备与猜疑，甚至有分析师指“英特尔已是昨日黄花，英特尔已没有创新能力了。”昌旭认为这种说法的分析师太不了解英特尔了。英特尔可以说一直是半导体技术前进的动力，而半导体技术是所有电子产业的基石。只是，英特尔在下一盘很大的棋，外面的人不一定看得懂，包括近年来巨资收购麦咖啡、风河和英飞凌，还有传闻中的将收购NFC技术等等，这些就像是一盘迷局，让很多人雾里看花。此次，英特尔又推翻了所人有的猜测，提前在22nm工艺上就推出3D三栅级晶体管，这显示出英特尔这盘棋的步伐已加快了，一场重大战役就快打响了。作为消费者的我们，当然希望看到更多先进的技术与产品，让我们拭目以待。

　　下图：英特尔一直引领半导体技术的创新

　　注：三栅极成果源于长期的研究工作：最考试发明三栅极到后来为22nm节点选择三栅极（具体如上图所示）

注：晶体管创新实现节奏化的技术进步（如图展示了03年-11年以来近体关技术上的进步）