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

這一切說(shuō)明半導(dǎo)體的應(yīng)用市場(chǎng)需求仍在不斷的擴(kuò)大，反映半導(dǎo)體業(yè)的前景是毋須擔(dān)憂的。

英特爾的特殊貢獻(xiàn)

推動(dòng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的摩爾定律象一盞明燈，讓產(chǎn)業(yè)界義無(wú)反顧地追隨定律前行。每?jī)赡昵斑M(jìn)一個(gè)技術(shù)臺(tái)階，幾乎無(wú)一失手，如2007年是45納米，2009年是32納米，今年應(yīng)該是22納米。

那么誰(shuí)是定律的真正推手？無(wú)疑是英特爾。

因?yàn)榘碔TRS半導(dǎo)體工藝路線圖，在2007年45納米時(shí)，英特爾就發(fā)布了高k/金屬柵技術(shù),可以看作是晶體管組成材料的一次革新，用高k材料來(lái)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(jié)構(gòu)，使傳統(tǒng)的晶體管二維結(jié)構(gòu)變成三維，應(yīng)該是半導(dǎo)體工藝技術(shù)中又一次重大的革命。

每當(dāng)關(guān)鍵的時(shí)刻，英特爾總是走在前列。

什么是3D晶體管？

英特爾稱(chēng)之為3D晶體管，從技術(shù)上講，應(yīng)該是三個(gè)門(mén)晶體管。傳統(tǒng)的二維門(mén)由較薄的三維硅鰭(fin)所取代，硅鰭由硅基垂直伸出。

門(mén)包圍著硅鰭。硅鰭的三個(gè)面都由門(mén)包圍控制，上面的頂部包圍一個(gè)門(mén)，側(cè)面各包圍一個(gè)門(mén)，共包圍三個(gè)門(mén)。在傳統(tǒng)的二維晶體管中只有頂部一個(gè)門(mén)包圍控制。英特爾對(duì)此作了十分簡(jiǎn)單的解釋?zhuān)?ldquo;由于控制門(mén)的數(shù)量增加，晶體管處于‘開(kāi)’狀態(tài)時(shí)，通過(guò)的電流會(huì)盡可能多；處于‘關(guān)’狀態(tài)時(shí)，電流會(huì)盡快轉(zhuǎn)為零，由此導(dǎo)致能耗降至最低。而且晶體管在開(kāi)與關(guān)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(duì)于英特爾將采用的技術(shù)節(jié)點(diǎn)也有諸多猜測(cè)。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(shù)。然而英特爾表明將延伸bulk CMOS的工藝制程，但是不會(huì)采用完全耗盡型(fully-depleted)──或稱(chēng)為超薄硅絕緣體(SOI)技術(shù)。

3D晶體管結(jié)構(gòu)的偉大意義

由于3D晶體管結(jié)構(gòu)能夠使芯片在電壓較低、漏電流較少的環(huán)境下運(yùn)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(shù)芯片從功能上相比32納米的二維晶體管結(jié)構(gòu)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(lǐng)先國(guó)際大廠如IBM fab 俱樂(lè)部，臺(tái)積電等也在開(kāi)發(fā)多柵晶體管結(jié)構(gòu)。只是按英特爾院士Mark Bohr看法，英特爾至少領(lǐng)先3年，如臺(tái)積電計(jì)劃在14nm時(shí)才準(zhǔn)備采用FinFET結(jié)構(gòu)。

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

3D晶體管結(jié)構(gòu)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(chēng)1270，已進(jìn)入生產(chǎn)。首先會(huì)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(kāi)始量產(chǎn)。

英特爾的下一代處理器Ivy Bridge將獨(dú)家采用該3D晶體管技術(shù)。也就是說(shuō)英特爾在生產(chǎn)Ivy Bridge芯片時(shí)將退出2D晶體管制造業(yè)務(wù)、完全轉(zhuǎn)向3D晶體管。2011年底，Ivy Bridge芯片將開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)生產(chǎn)，然而估計(jì)應(yīng)該在2012年時(shí)進(jìn)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(jì)劃由之前的支出90億美元，上調(diào)至102億美元。用來(lái)推進(jìn)其22納米芯片制造工藝的研發(fā)，并向其下一個(gè)目標(biāo)——14納米芯片進(jìn)發(fā)。

下面是3D晶體管的示意圖;
 

 
結(jié)語(yǔ)

在歡慶晶體管60周年(2007年)的生日時(shí)，筆者曾為英特爾發(fā)布45納米工藝時(shí)采用高k金屬柵技術(shù)，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(guò)去，英特爾又一次發(fā)布3D晶體管結(jié)構(gòu)，表示英特爾再次為產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步作出巨大貢獻(xiàn)。盡管摩爾定律總有一天會(huì)受限于尺寸縮小技術(shù)而止步不前，但是產(chǎn)業(yè)會(huì)通過(guò)晶體管材料的變化，以及晶體管結(jié)構(gòu)的變革等，仍在繼續(xù)延伸摩爾定律的壽命。

實(shí)際上討論定律還能生存多久已沒(méi)有太多的現(xiàn)實(shí)意義。因?yàn)榘雽?dǎo)體業(yè)的創(chuàng)新總是層出不窮，而且它已由傳統(tǒng)的技術(shù)推動(dòng)轉(zhuǎn)向于依賴(lài)市場(chǎng)的推動(dòng)。因此更為迫切的應(yīng)該去關(guān)注產(chǎn)品的應(yīng)用市場(chǎng)，以及降低成本來(lái)盡可能的滿足客戶的需求。