英特尔发布3D晶体管技术延伸摩尔定律

 当苹果的iPad与iPhone拿在手里时，感觉如今的生活在移动中变得非常方便。然而苹果公司是全球半导体业中的最大客户，估计它在2011年中会消耗掉200亿美元的半导体，约占整个半导体市场需求的6%。此外，大约70%的苹果公司芯片需求或折算约140亿美元的市场需求都是采用NAND闪存、DRAM以及先进逻辑芯片，所以仅苹果公司一家的芯片需求大约需要两到三个大型的晶圆厂来完成。

这一切说明半导体的应用市场需求仍在不断的扩大，反映半导体业的前景是毋须担忧的。

英特尔的特殊贡献

推动产业进步的摩尔定律象一盏明灯，让产业界义无反顾地追随定律前行。每两年前进一个技术台阶，几乎无一失手，如2007年是45纳米，2009年是32纳米，今年应该是22纳米。

那么谁是定律的真正推手？无疑是英特尔。

因为按ITRS半导体工艺路线图，在2007年45纳米时，英特尔就发布了高k/金属栅技术,可以看作是晶体管组成材料的一次革新，用高k材料来替代传统的SiO2，让定律又延伸了10-15年。今天英特尔又发布3D晶体管
结构，使传统的晶体管二维结构变成三维，应该是半导体工艺技术中又一次重大的革命。

每当关键的时刻，英特尔总是走在前列。

什么是3D晶体管？

英特尔称之为3D晶体管，从技术上讲，应该是三个门晶体管。传统的二维门由较薄的三维硅鳍(fin)所取代，硅鳍由硅基垂直伸出。

门包围着硅鳍。硅鳍的三个面都由门包围控制，上面的顶部包围一个门，侧面各包围一个门，共包围三个门。在传统的二维晶体管中只有顶部一个门包围控制。英特尔对此作了十分简单的解释：“由于控制门的数量增加，晶体管处于‘开’状态时，通过的电流会尽可能多；处于‘关’状态时，电流会尽快转为零，由此导致能耗降至最低。而且晶体管在开与关两种状态之间迅速切换能够显著的提高电路性能。

业界对于英特尔将采用的技术节点也有诸多猜测。英特尔的22nm制程将基于英特尔的第三代high-k/金属栅方法，它使用铜互连、low-k、与32nm相同，英特尔采用193nm浸液式光刻技术。然而英特尔表明将延伸bulk CMOS的工艺制程，但是不会采用完全耗尽型(fully-depleted)──或称为超薄硅绝缘体(SOI)技术。

3D晶体管结构的伟大意义

由于3D晶体管结构能够使芯片在电压较低、漏电流较少的环境下运行，较之前的英特尔芯片性能更高、能效更好。据英特尔透露，它的22纳米3D晶体管技术芯片从功能上相比32纳米的二维晶体管结构提高37%，而在相同性能下3D晶体管的能耗减少50％，所以适用于手持装置使用。

其它的领先国际大厂如IBM fab 俱乐部，台积电等也在开发多栅晶体管结构。只是按英特尔院士Mark Bohr看法，英特尔至少领先3年，如台积电计划在14nm时才准备采用FinFET结构。

另外，据Mark Bohr透露，三栅结构技术可以缩小到14纳米。意味着业界一直争论的16纳米之后(包括16纳米)的技术如何走？英特尔至少已经打开一条生路。因此3D晶体管结构具有划时代的革命性意义。

3D晶体管结构从制造工艺成本上仅增加2-3％因此是十分诱人的。

它的22nm制程又称1270，已进入生产。首先会在奥勒冈州的D10晶圆厂生产，而后再移到亚利桑那州的F32厂，将在2011年下半年开始量产。

英特尔的下一代处理器Ivy Bridge将独家采用该3D晶体管技术。也就是说英特尔在生产Ivy Bridge芯片时将退出2D晶体管制造业务、完全转向3D晶体管。2011年底，Ivy Bridge芯片将开始进入商业生产，然而估计应该在2012年时进入批量生产。

为此，英特尔公司于近日上调其2011年的资本支出计划由之前的支出90亿美元，上调至102亿美元。用来推进其22纳米芯片制造工艺的研发，并向其下一个目标——14纳米芯片进发。

下面是3D晶体管的示意图;
 

 
结语

在欢庆晶体管60周年(2007年)的生日时，笔者曾为英特尔发布45纳米工艺时采用高k金属栅技术，形象的比喻为英特尔为产业搭了一座通向更小尺寸芯片的桥。

如今四年过去，英特尔又一次发布3D晶体管结构，表示英特尔再次为产业的进步作出巨大贡献。尽管摩尔定律总有一天会受限于尺寸缩小技术而止步不前，但是产业会通过晶体管材料的变化，以及晶体管结构的变革等，仍在继续延伸摩尔定律的寿命。

实际上讨论定律还能生存多久已没有太多的现实意义。因为半导体业的创新总是层出不穷，而且它已由传统的技术推动转向于依赖市场的推动。因此更为迫切的应该去关注产品的应用市场，以及降低成本来尽可能的满足客户的需求。