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英特尔发布晶体管技术重大突破

〖业界动态〗 Intel

2007年01月29日

【文章简介】
今天，英特尔公司宣布在基础晶体管设计方面取得了一个最重大的突破，采用两种完全不同以往的晶体管材料来构建45纳米晶体管的绝缘“墙”和切换“门” (8273 字)

第3页：英特尔高-k栅介质、金属栅极晶体管专业词汇

基本的CMOS晶体管

晶体管：一种简单的开关装置，可处理电子数据中的0、1组合。数字芯片，例如微处理器，含有数百万此类通过铜线以特定方式连接在一起的晶体管。目前的英特尔®酷睿™2四核处理器包含超过5亿个晶体管。随着技术的进步，业界的目标是制造出规格更小、速度更快、成本更低、耗电更少的晶体管。所有这些目标都将产生更强大的芯片。电流是否从源极到漏极，取决于栅电压的高低，很大程度上类似一个电灯开关的状态（开或关）控制着电流是否流向灯泡。

源极：晶体管中电流产生的部分。它包含涂层硅（doped silicon），即掺杂某些降低电阻杂质的硅。

漏极：晶体管中电流流向的部分。这一部分和源极一样，掺杂一些杂质。晶体管是绝对对称的，即电流可以从源极流向漏极，也可从漏极流向源极。

栅（又称栅电极）：栅是晶体管顶端的区域，其电流状态决定着晶体管是打开还是闭合。传统上，栅的制作材料是多晶硅或原子随意排列且不形成网格状结构的硅。

通道：通道是源极和漏极之间的区域，当晶体管处于打开状态时，电流流经通道。它包括晶体状态的硅，即以网格状有序排列结构的硅。

栅介质：位于栅下方、用来隔离栅和沟道的一层薄层。在今天的芯片中，栅介质包含二氧化硅。

二氧化硅：二氧化硅是包括一个硅原子和两个氧原子的分子，组成良好的绝缘体（不导电体）。对于一种栅介质而言，一层薄薄的二氧化硅可实现较高性能。问题在于二氧化硅层越薄，其泄露的电量越大。因此，人们致力于采用保持其属性但无需如此之薄的新材料取代二氧化硅。

高-k（高介电值）材料：一种可取代二氧化硅作为栅介质的材料。它具备良好的绝缘属性，同时可在栅和硅底层通道之间产生较高的场效应（即高-k）。两者都是高性能晶体管的理想属性。k（实际上是希腊文Kappa）是一个工程术语，描述一种材料保有电荷的能力。类比海绵：海绵可以保有大量水分。木头可以保有一些水分，但不是这么多。玻璃根本无法保有水。同样，有些材料比其他材料能够更好地存储电荷，因此，拥有更高的“k”值。另外，由于高k材料比二氧化硅更厚——同时保持着同样理想的属性，因此，它们可以大幅减少漏电量。

漏电：流经栅介质的电流。在理想状态下，栅介质是完美的绝缘体。但是，由于它越来越薄（在英特尔65纳米制程中，其厚度仅相当于5个原子层），因此，电流透过栅介质而发生泄漏。由此导致不太理想的结果：晶体管无法发挥应有的作用，消耗的电量超过期望。类比可想象水龙头漏水造成的浪费。

NMOS晶体管（又称N型晶体管）：一种当栅处于较高电压时打开、栅处于较低电压时闭合的晶体管。

PMOS晶体管（又称P型晶体管）：一种与NMOS晶体管相对的晶体管，当栅处于较高电压时闭合，而栅处于较低电压时打开。

CMOS晶体管（互补型金属氧化物半导体）：一种制程技术，NMOS和PMOS晶体管在其中共存。所有现代逻辑芯片，例如微处理器和芯片组，都是用CMOS，因为它能够以较低的成本实现较高性能和较低电耗的双重指标。

阀值电压：用以区分晶体管是否闭合的高、低电压之间的电压水平。对于NMOS晶体管而言，如果其栅在阀值电压之上，晶体管为打开；如果低于阀值电压，晶体管为闭合。PMOS晶体管显示了一种相对的属性。晶体管的设计是基于较低的阀值电压，因为这样才能产生较高的性能（类似重心较低的赛车）。

阀值电压钉扎效应（又称费米能级钉扎效应）：当高K栅介质与多晶硅栅电极结合时产生的两种不良效应之一。由于在栅介质/栅电极边界产生的某些瑕疵，人们很难将阀值电压调整到较低值，而低阈值电压却是晶体管高性能所需要的。如果栅电极是一种特定金属而非多晶硅时，这一问题就会迎刃而解。用于NMOS和PMOS晶体管的金属栅极材料不同。

声子散射：高K栅介质与多晶硅栅电极结合时产生的第二种不良效应。这种现象限制了电极的移动性，因此降低了晶体管性能。当由特定金属制成的栅取代多晶硅栅，并且采用正确的制程配方时，问题就会消失。

摩尔定律：摩尔定律是英特尔的联合创始人戈登•摩尔（Gordon Moore）所做出的预测（并非真的法律），即一个芯片上容纳的晶体管数量每两年翻一倍。英特尔的微处理器已经近似严格遵循了这一定律，1971年代码为4004的产品中仅有2000多个晶体管。今天，安腾®2处理器中的晶体管数量已经跃升至4.1亿个。总体上，晶体管的密度基本上随着每一代新的制程技术而翻倍，时间上大约为每隔两年。

应变硅：应变硅是一项晶体管加速技术。如上所述，硅底层通道中的硅原子以网格状结构排列。拉伸网格使硅原子比其天然状态下相互之间的距离加大，会使NMOS晶体管切换速度更快（同样，挤压网格也会略微加快PMOS晶体管），这一点人们已经熟知几十年。这种拉伸/挤压即被称为应变。英特尔采用特殊技术应变其90纳米制程NMOS和PMOS晶体管，以提高其性能。

低-k（低介电值）介质：低-k介质用来隔离芯片上的接头，不应与高-k介质相混淆。在半导体栅介质中，高-k会以较低漏电率获得较高性能；而在接头中，低-k会加快信号传输速度。

绝缘硅（SOI）：绝缘指在晶体管制造时采用硅-绝缘体-硅基而不是简单的体硅基。一些公司宣称从绝缘硅中获得比体硅（bulk silicon）更好的性能和/或功耗。英特尔的分析显示，这种性能提升或功耗降低——如果存在的话——十分有限，且无法弥补绝缘硅片增加的成本。英特尔从未使用、也没有计划使用已经部分耗尽的绝缘硅（PD-SOI），而其他公司正在使用。但是，英特尔正在探索另外一种全耗尽的绝缘硅（FD-SOI），这种绝缘硅目前没有被任何一家芯片制造商采用。

三栅极晶体管：英特尔指定的未来制程技术的新型候选晶体管。本文此前描述的晶体管为平面晶体管。即，这些晶体管具有唯一的平面栅，与硅基的表面平行。三栅极晶体管采用全新三维结构，栅围绕硅通道的三个表面。传统的平面晶体管可比作平顶山（山顶平面、山壁直立的山脉）顶部的公路，电子信号像汽车一样在山顶平面上穿越；而新型的、提升的三维设计，电子信号不仅可以在山顶平面上穿越，而且可以沿着直立山壁行驶，因此被命名为三栅极。

静态随机访问存储器（SRAM）：SRAM是一种比一般动态随机访问存储器速度更快、可靠性更高的存储器。静态一词指SRAM无需像动态随机访问存储器一样进行刷新。动态随机访问存储器支持约60纳秒的访问时间，但是静态随机访问存储器支持的访问时间降低至10纳秒。此外，其周期时间远比DRAM要短，因为SRAM无需在两次访问之间进行停顿。

45纳米：半导体技术的下一个里程碑。45纳米制程使芯片电路具备比当今最先进的生产工艺更高的每瓦特性能。未来，采用45纳米制程将使芯片以同样面积容纳的半导体数量翻倍。45纳米技术将使半导体切换速度提高20%，半导体电流泄露减少5倍。英特尔采用45纳米制程技术制造下一代领先的处理器，包括英特尔®酷睿™2双核处理器和英特尔至强™处理器系列。

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《英特尔发布晶体管技术重大突破》分页索引

第1页：英特尔发布晶体管技术重大突破
 第2页：60年持续创新，晶体管越来越小
 第3页：英特尔高-k栅介质、金属栅极晶体管专业词汇
 第4页：45纳米到底如何小而强大？
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