03 марта 2016г.
Высокая эффективность новых транзисторов при низком напряжении питания позволяет создавать новые микро-архитектуры и на базе 22-нм процессоров Intel Atom. В новых проектах максимально используются преимущества транзисторной технологии 3D Tri-Gate, обеспечивающей очень малое потребление. Системы на кристаллах Intel следующего поколения, построенные на 22-нм транзисторах, будут потреблять менее 1 мВт в нерабочем режиме.
Опираясь на последние научные работы исследователей из компании GoldStandardSimulations и UBM TechInsights исследования которых проведены с помощью методов растровой и просвечивающей электронной микроскопии, анализа распределенного сопротивления и рентгеноскопии, можем умозрительно провести анализ их данных.
Если произвели демонтаж новейших кристаллов Intel (как это сделали специалисты из GoldStandardSimulations) с кодовыми именем IvyBridge, к примеру серверного ЦП IntelXeon E3-1230V2. На его корпусе указано, что кристалл 3.3 GHz Xeon E3-1230V2 корпусирован в Малайзии. Площадь чипа составляет 170 кв. мм, тогда как площадь его предшественника – процессора SandyBridge i7 2600K – достигала 208 кв. мм.
Поперечное сечение структуры процессора видна на Рисунке 1, где в нем по–прежнему используются девять металлических слоев, как и в предыдущих двух поколениях этих процессоров. Предварительный осмотр показал,
что шаг затворов во внутреннем массиве SRAM-памяти процессора составляет 90 нм. Длина затворов в логических элементах равна 22 нм.
На микрофотографии при большем разрешении
(см. Рисунок 2) виден нижний металлический слой и два многозатворных транзистора NMOS и PMOS. Это сечение
расположено параллельно затвору
и перпендикулярно его каналам. На фото виден алмазоподобный эпитаксиальный слой SiGe, образованный на затворах
PMOS- транзистора.
В настоящее время большинство полупроводниковых компаний только
осваивает 28-нм технологию. Altera и Xilinx уже поставляют 28-нм ПЛИС, а AMD и Qualcomm намереваются выпустить 28-нм процессоры. Уникальная 22-нм технология Intel с использованием 3D-транзисторов известна
также под названием FinFET (полевой транзистор с затвором «плавником»).
На этом рисунке стрелками помечен затвор и контактные
полоски. Видно, что на вертикальные каналы в форме плавника
(fin) транзистора PMOS S/D нанесен эпитаксиальный слой. Скошенная форма
этих каналов отличается от их схематического вида, представленного Intel в предыдущих сериях ЦП.
Следует пояснить, что именно видно на этих микрофотографиях, полученных с
помощью просвечивающего электронного микроскопа (TEM). Как правило,
данный метод позволяет
изучать образцы толщиной 80–100 нм. Они достаточно прозрачны
для построения изображения с помощью электронного пучка. Кроме того, при этой толщине
сохраняется физическая жесткость, не позволяющая образцам изгибаться или распадаться.
На данных микрофотографиях запечатлена структура кристалла с длиной затвора
менее 30нм. При использовании среза образца, параллельного затвору и выровненного относительно его центра,
получается изображение затвора,
части кремниевой структуры истока/стока (source/drain, S/D) и контактов с каждой стороны кристалла.
На другом
Рисунке 3 представлено
поперечное
сечение транзистора NMOS. Позади затвора виден «призрак» контакта. В отличие от PMOS-транзистора, рабочий материал находится
непосредственно над слоем диэлектрика.
На следующем Рисунке
4 показана решеточная структура канала NMOS-транзистора, изображение которой было получено
с помощью просвечивающего электронного микроскопа FEI Technai. На фото видна точечная структура, образованная рядами атомов
кремния. Это изображение свидетельствует о том, что исследуемый образец
был сориентирован в направлении <110>, т.е. канал затвора был также сориентирован в этом направлении.
Чтобы лучше понять
структуру исследуемого кристалла, необходимо увидеть, как она выглядит в ортогональном направлении вдоль канала, а
также получить поперечное сечение
затвора. На рисунке
ниже виден массив PMOS-транзисторов над одним каналом,
четыре рабочих и два нерабочих
затвора по краям канала. Поскольку рассматриваемый образец
имеет достаточно большую
толщину по сравнению с размерами элементов, затвор виден
по краям канала. Верхушки каналов
сходятся на конус, как это видно нарисунке
2.5.6.
Как следует из заявления Intel, в основании
истоков/стоков находится
полость SiGe закругленной формы, не протравленная в плоскостях <111>, как в 32- и 45-нм изделиях. Эта структура выглядит
так, как если бы верхушки затворов были протравлены и заполнены
диэлектриком, а контакты само совместились, как в кристаллах памяти.
Проанализировав структуру Tri-Gate транзисторов в процессорном исполнении мы можем сделать предположение, что треугольная форма транзисторов это технологическое решение которое обеспечивает больший выход годных
интегральных изделий при их массовом
изготовлении. При этом облегчается вертикальное протравливание транзисторной структуры и достигается более надежное осаждение диэлектрической пленки.
Список литературы
1.
Mark Bohr, Kaizad Mistry, Intel’s Revolutionary 22 nm Transistor Technology // May, 2011
2.
R. Sedgewick. Algorithms. New Jersey:
Addison-Wesley, 1988. 560c.
3.
W.C. Dunn. Introduction to instrumentation, sensors, and process control.
London: Artech House Publishers, 2005. 354c.
