英特爾最新的FinFET是其代工計劃的關(guān)鍵

在上周的VLSI研討會上，英特爾詳細(xì)介紹了制造工藝，該工藝將成為其高性能數(shù)據(jù)中心客戶代工服務(wù)的基礎(chǔ)。在相同的功耗下，英特爾 3 工藝比之前的工藝英特爾 4 性能提升了 18%。在該公司的路線圖上，英特爾 3 是最后一款使用鰭片場效應(yīng)晶體管 （FinFET） 結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，該公司于 2011 年率先采用這種結(jié)構(gòu)。但它也包括英特爾首次使用一項技術(shù)，該技術(shù)在FinFET不再是尖端技術(shù)之后很長一段時間內(nèi)對其計劃至關(guān)重要。更重要的是，該技術(shù)對于該公司成為代工廠并為其他公司制造高性能芯片的計劃至關(guān)重要。
它被稱為偶極子功函數(shù)金屬，允許芯片設(shè)計人員選擇幾種不同閾值電壓的晶體管。閾值電壓是設(shè)備打開或關(guān)閉的電平。使用英特爾 3 工藝，單個芯片可以包含具有四個嚴(yán)格控制的閾值電壓中的任何一個的設(shè)備。這很重要，因為不同的功能在不同的閾值電壓下運行效果最好。例如，高速緩存通常要求設(shè)備具有高閾值電壓，以防止浪費功率的電流泄漏。而其他電路可能需要速度最快的開關(guān)器件，具有最低的閾值電壓。
閾值電壓由晶體管的柵極堆棧設(shè)置，柵極堆棧是控制流過晶體管的電流的金屬和絕緣層。從歷史上看，“金屬的厚度決定了閾值電壓，”英特爾代工技術(shù)開發(fā)副總裁Walid Hafez解釋道。“工作功能金屬越厚，閾值電壓就越低?！钡?，這種對晶體管幾何形狀的依賴會帶來一些缺點，因為設(shè)備和電路會縮小規(guī)模。
制造過程中的微小偏差會改變柵極中金屬的體積，從而導(dǎo)致閾值電壓范圍較寬。這就是英特爾 3 流程從英特爾只為自己制造芯片到作為代工廠運行的轉(zhuǎn)變的例證。
Hafez說，“外部代工廠的運作方式與英特爾等集成設(shè)備制造商非常不同”。晶圓代工客戶“需要不同的東西......他們需要的一件事是閾值電壓的非常緊密變化。
英特爾則不同;即使沒有嚴(yán)格的閾值電壓容差，它也可以通過將性能最好的部件引導(dǎo)到其數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)和其他細(xì)分市場中性能較差的部件來銷售其所有部件。
“很多外部客戶不這樣做，”他說。如果芯片不符合他們的限制，他們可能不得不將其夾住。“因此，英特爾3要想在代工領(lǐng)域取得成功，就必須有非常嚴(yán)格的變化。
從此偶極子
偶極子功函數(shù)材料保證了對閾值電壓的必要控制，而不必?fù)?dān)心柵極中有多少空間。它是金屬和其他材料的專有混合物，盡管只有埃厚，但對晶體管的硅通道具有強大的影響。

 英特爾使用偶極子工作函數(shù)材料，這意味著 FinFET 中每個鰭片周圍的柵極更薄。

與舊的厚金屬柵極一樣，新的材料組合會靜電改變硅的能帶結(jié)構(gòu)，從而改變閾值電壓。但它是通過在它和硅之間的薄絕緣層中誘導(dǎo)偶極子（電荷分離）來實現(xiàn)的。
由于代工客戶要求嚴(yán)格控制英特爾，競爭對手臺積電和三星很可能已經(jīng)在其最新的FinFET工藝中使用了偶極子。這種結(jié)構(gòu)究竟是由什么構(gòu)成的是一個商業(yè)秘密，但鑭是早期研究的一個組成部分，它是比利時微電子研究中心Imec提出的其他研究的關(guān)鍵成分。該研究關(guān)注的是如何最好地圍繞水平硅帶堆疊而不是一個或兩個垂直鰭片構(gòu)建材料。
在這些稱為納米片或柵極全能晶體管的器件中，每條硅帶之間只有納米，因此偶極子是必需的。三星已經(jīng)推出了納米片工藝，而英特爾的20A工藝計劃于今年晚些時候推出。Hafez說，在英特爾3中引入偶極子工作函數(shù)有助于使20A及其后繼的18A進入更成熟的狀態(tài)。
英特爾 3 的風(fēng)格
偶極子工作功能并不是英特爾 3 比其前身提升 18% 的唯一技術(shù)。其中包括更完美的鰭片，與晶體管的更清晰的觸點，以及更低的互連電阻和電容。（哈菲茲在這里詳細(xì)介紹了這一切。
英特爾正在使用該過程來構(gòu)建其至強 6 CPU。該公司計劃為客戶提供該技術(shù)的三種變體，包括一種 3-PT，帶有 9 微米的硅通孔，用于 3D 堆疊。“我們預(yù)計英特爾 3-PT 將在未來一段時間內(nèi)成為我們代工流程的支柱，”Hafez 說。