英特爾發(fā)布3D晶體管技術延伸摩爾定律

 當蘋果的iPad與iPhone拿在手里時，感覺如今的生活在移動中變得非常方便。然而蘋果公司是全球半導體業(yè)中的最大客戶，估計它在2011年中會消耗掉200億美元的半導體，約占整個半導體市場需求的6%。此外，大約70%的蘋果公司芯片需求或折算約140億美元的市場需求都是采用NAND閃存、DRAM以及先進邏輯芯片，所以僅蘋果公司一家的芯片需求大約需要兩到三個大型的晶圓廠來完成。

這一切說明半導體的應用市場需求仍在不斷的擴大，反映半導體業(yè)的前景是毋須擔憂的。

英特爾的特殊貢獻

推動產(chǎn)業(yè)進步的摩爾定律象一盞明燈，讓產(chǎn)業(yè)界義無反顧地追隨定律前行。每兩年前進一個技術臺階，幾乎無一失手，如2007年是45納米，2009年是32納米，今年應該是22納米。

那么誰是定律的真正推手？無疑是英特爾。

因為按ITRS半導體工藝路線圖，在2007年45納米時，英特爾就發(fā)布了高k/金屬柵技術,可以看作是晶體管組成材料的一次革新，用高k材料來替代傳統(tǒng)的SiO2，讓定律又延伸了10-15年。今天英特爾又發(fā)布3D晶體管
結構，使傳統(tǒng)的晶體管二維結構變成三維，應該是半導體工藝技術中又一次重大的革命。

每當關鍵的時刻，英特爾總是走在前列。

什么是3D晶體管？

英特爾稱之為3D晶體管，從技術上講，應該是三個門晶體管。傳統(tǒng)的二維門由較薄的三維硅鰭(fin)所取代，硅鰭由硅基垂直伸出。

門包圍著硅鰭。硅鰭的三個面都由門包圍控制，上面的頂部包圍一個門，側面各包圍一個門，共包圍三個門。在傳統(tǒng)的二維晶體管中只有頂部一個門包圍控制。英特爾對此作了十分簡單的解釋：“由于控制門的數(shù)量增加，晶體管處于‘開’狀態(tài)時，通過的電流會盡可能多；處于‘關’狀態(tài)時，電流會盡快轉(zhuǎn)為零，由此導致能耗降至最低。而且晶體管在開與關兩種狀態(tài)之間迅速切換能夠顯著的提高電路性能。

業(yè)界對于英特爾將采用的技術節(jié)點也有諸多猜測。英特爾的22nm制程將基于英特爾的第三代high-k/金屬柵方法，它使用銅互連、low-k、與32nm相同，英特爾采用193nm浸液式光刻技術。然而英特爾表明將延伸bulk CMOS的工藝制程，但是不會采用完全耗盡型(fully-depleted)──或稱為超薄硅絕緣體(SOI)技術。

3D晶體管結構的偉大意義

由于3D晶體管結構能夠使芯片在電壓較低、漏電流較少的環(huán)境下運行，較之前的英特爾芯片性能更高、能效更好。據(jù)英特爾透露，它的22納米3D晶體管技術芯片從功能上相比32納米的二維晶體管結構提高37%，而在相同性能下3D晶體管的能耗減少50％，所以適用于手持裝置使用。

其它的領先國際大廠如IBM fab 俱樂部，臺積電等也在開發(fā)多柵晶體管結構。只是按英特爾院士Mark Bohr看法，英特爾至少領先3年，如臺積電計劃在14nm時才準備采用FinFET結構。

另外，據(jù)Mark Bohr透露，三柵結構技術可以縮小到14納米。意味著業(yè)界一直爭論的16納米之后(包括16納米)的技術如何走？英特爾至少已經(jīng)打開一條生路。因此3D晶體管結構具有劃時代的革命性意義。

3D晶體管結構從制造工藝成本上僅增加2-3％因此是十分誘人的。

它的22nm制程又稱1270，已進入生產(chǎn)。首先會在奧勒岡州的D10晶圓廠生產(chǎn)，而后再移到亞利桑那州的F32廠，將在2011年下半年開始量產(chǎn)。

英特爾的下一代處理器Ivy Bridge將獨家采用該3D晶體管技術。也就是說英特爾在生產(chǎn)Ivy Bridge芯片時將退出2D晶體管制造業(yè)務、完全轉(zhuǎn)向3D晶體管。2011年底，Ivy Bridge芯片將開始進入商業(yè)生產(chǎn)，然而估計應該在2012年時進入批量生產(chǎn)。

為此，英特爾公司于近日上調(diào)其2011年的資本支出計劃由之前的支出90億美元，上調(diào)至102億美元。用來推進其22納米芯片制造工藝的研發(fā)，并向其下一個目標——14納米芯片進發(fā)。

下面是3D晶體管的示意圖;
 

 
結語

在歡慶晶體管60周年(2007年)的生日時，筆者曾為英特爾發(fā)布45納米工藝時采用高k金屬柵技術，形象的比喻為英特爾為產(chǎn)業(yè)搭了一座通向更小尺寸芯片的橋。

如今四年過去，英特爾又一次發(fā)布3D晶體管結構，表示英特爾再次為產(chǎn)業(yè)的進步作出巨大貢獻。盡管摩爾定律總有一天會受限于尺寸縮小技術而止步不前，但是產(chǎn)業(yè)會通過晶體管材料的變化，以及晶體管結構的變革等，仍在繼續(xù)延伸摩爾定律的壽命。

實際上討論定律還能生存多久已沒有太多的現(xiàn)實意義。因為半導體業(yè)的創(chuàng)新總是層出不窮，而且它已由傳統(tǒng)的技術推動轉(zhuǎn)向于依賴市場的推動。因此更為迫切的應該去關注產(chǎn)品的應用市場，以及降低成本來盡可能的滿足客戶的需求。