英特爾最新的FinFET是其代工計劃的關鍵

在上周的VLSI研討會上，英特爾詳細介紹了制造工藝，該工藝將成為其高性能數據中心客戶代工服務的基礎。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晶體管 （FinFET） 結構的產品，該公司于 2011 年率先采用這種結構。但它也包括英特爾首次使用一項技術，該技術在FinFET不再是尖端技術之后很長一段時間內對其計劃至關重要。更重要的是，該技術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重要。
它被稱為偶極子功函數金屬，允許芯片設計人員選擇幾種不同閾值電壓的晶體管。閾值電壓是設備打開或關閉的電平。使用英特爾 3 工藝，單個芯片可以包含具有四個嚴格控制的閾值電壓中的任何一個的設備。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，”英特爾代工技術開發副總裁Walid Hafez解釋道。“工作功能金屬越厚，閾值電壓就越低。”但是，這種對晶體管幾何形狀的依賴會帶來一些缺點，因為設備和電路會縮小規模。
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變的例證。
Hafez說，“外部代工廠的運作方式與英特爾等集成設備制造商非常不同”。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;即使沒有嚴格的閾值電壓容差，它也可以通過將性能最好的部件引導到其數據中心業務和其他細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要想在代工領域取得成功，就必須有非常嚴格的變化。
從此偶極子
偶極子功函數材料保證了對閾值電壓的必要控制，而不必擔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構，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偶極子（電荷分離）來實現的。
由于代工客戶要求嚴格控制英特爾，競爭對手臺積電和三星很可能已經在其最新的FinFET工藝中使用了偶極子。這種結構究竟是由什么構成的是一個商業秘密，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鍵成分。該研究關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有助于使20A及其后繼的18A進入更成熟的狀態。
英特爾 3 的風格
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。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。（哈菲茲在這里詳細介紹了這一切。
英特爾正在使用該過程來構建其至強 6 CPU。該公司計劃為客戶提供該技術的三種變體，包括一種 3-PT，帶有 9 微米的硅通孔，用于 3D 堆疊。“我們預計英特爾 3-PT 將在未來一段時間內成為我們代工流程的支柱，”Hafez 說。