Letzte Woche erläuterte Intel auf dem VLSI-Symposium den Herstellungsprozess, der die Grundlage seines Foundry-Service für Kunden von Hochleistungs-Rechenzentren bilden wird. Bei gleichem Stromverbrauch führt der Intel-3-Prozess zu einer Leistungssteigerung von 18 % gegenüber dem vorherigen Prozess, Intel 4. Auf der Roadmap des Unternehmens ist Intel 3 der letzte, der den Transistorstruktur-Fin-Field-Effekt (FinFET) nutzt, den das Unternehmen entwickelt hat Pionierarbeit im Jahr 2011. Dazu gehört aber auch Intels erster Einsatz einer Technologie, die für seine Projekte von entscheidender Bedeutung ist, lange nachdem FinFET nicht mehr auf dem neuesten Stand war. Darüber hinaus ist die Technologie von entscheidender Bedeutung für die Pläne des Unternehmens, eine Gießerei zu werden und Hochleistungschips für andere Unternehmen herzustellen.
Es wird als Dipol-Austrittsarbeitsmetall bezeichnet und ermöglicht es einem Chipdesigner, Transistoren mit mehreren unterschiedlichen Schwellenspannungen auszuwählen. Die Schwellenspannung ist der Wert, bei dem ein Gerät ein- oder ausgeschaltet wird. Mit dem Intel 3-Prozess kann ein einzelner Chip Geräte mit einer von vier streng kontrollierten Schwellenspannungen enthalten. Dies ist wichtig, da unterschiedliche Funktionen mit unterschiedlichen Schwellenspannungen besser funktionieren. Cache-Speicher erfordern beispielsweise typischerweise Geräte mit einer hohen Schwellenspannung, um stromverschwendende Leckströme zu vermeiden. Während andere Schaltkreise möglicherweise die schnellsten Schaltgeräte mit der niedrigsten Schwellenspannung erfordern.
Die Schwellenspannung wird durch den Gate-Stack des Transistors, die Metallschicht und die Isolierung, die den Stromfluss durch den Transistor steuert, eingestellt. Historisch gesehen „bestimmt die Dicke der Metalle die Schwellenspannung“, erklärt Walid Hafez, Vizepräsident für Gießereitechnologieentwicklung bei Intel. „Je dicker das Funktionsmetall, desto niedriger ist die Schwellenspannung.“ Diese Abhängigkeit von der Transistorgeometrie hat jedoch einige Nachteile, da Geräte und Schaltkreise kleiner werden.
Kleine Abweichungen im Herstellungsprozess können das Volumen des Metalls im Gate verändern, was zu einem ziemlich großen Bereich der Schwellenspannungen führt. Und hier verdeutlicht der Intel 3-Prozess den Wandel von Intel, der ausschließlich Chips für sich selbst herstellt, hin zu einem Gießereiunternehmen.
„Die Art und Weise, wie ein externer Hersteller arbeitet, ist ganz anders“ als die eines integrierten Geräteherstellers wie Intel bis vor Kurzem, sagt Hafez. Gießereikunden „brauchen unterschiedliche Dinge … Eines der Dinge, die sie brauchen, ist eine sehr geringe Variation der Schwellenspannung.“
Intel ist anders; Auch ohne die strengen Schwellenspannungstoleranzen kann das Unternehmen alle seine Komponenten verkaufen und so die leistungsstärksten in sein Rechenzentrumsgeschäft und die leistungsschwächsten in andere Marktsegmente verlagern.
„Viele externe Kunden machen das nicht“, sagt er. Wenn ein Chip ihre Anforderungen nicht erfüllt, müssen sie ihn möglicherweise wegwerfen. „Damit Intel 3 im Foundry-Bereich erfolgreich sein kann, muss es diese sehr engen Variationen haben.“
Dipole für immer
Materialien mit Dipolarbeitsfunktion garantieren die notwendige Kontrolle über die Schwellenspannung, ohne sich Gedanken über den Platz machen zu müssen, der im Gate zur Verfügung steht. Es handelt sich um eine proprietäre Mischung aus Metallen und anderen Materialien, die, obwohl sie nur wenige Angström dick ist, einen starken Einfluss auf den Siliziumkanal eines Transistors hat.
Durch die Verwendung von dipolaren Austrittsarbeitsmaterialien durch Intel ist das Gate, das jede Finne eines FinFET umgibt, dünner.Intel
Wie das alte dicke Metall-Gate verändert der neue Materialmix elektrostatisch die Bandstruktur von Silizium, um die Schwellenspannung zu verschieben. Dies geschieht jedoch dadurch, dass in der dünnen Isolierung, die es vom Silizium trennt, ein Dipol – eine Ladungstrennung – induziert wird.
Da Foundry-Kunden von Intel eine strenge Kontrolle verlangten, ist es wahrscheinlich, dass die Konkurrenten TSMC und Samsung bereits Dipole in ihren neuesten FinFET-Prozessen verwenden. Die genaue Zusammensetzung dieser Strukturen ist ein Geschäftsgeheimnis, aber Lanthan ist ein Bestandteil früherer Forschungen und war der Hauptbestandteil anderer Forschungsarbeiten, die vom belgischen Mikroelektronik-Forschungszentrum Imec vorgestellt wurden. Diese Forschung konzentrierte sich darauf, wie das Material am besten um Stapel horizontaler Siliziumbänder statt um ein oder zwei vertikale Rippen herum aufgebaut werden kann.
In diesen als Nanosheets oder Full-Gate-Transistoren bezeichneten Bauelementen liegen zwischen den einzelnen Siliziumstreifen nur wenige Nanometer, sodass Dipole erforderlich sind. Samsung hat bereits einen Nanosheet-Prozess eingeführt und Intels namens 20A soll noch in diesem Jahr auf den Markt kommen. Die Einführung der Dipolarbeitsfunktion bei Intel 3 trägt dazu bei, den 20A und seinen Nachfolger, den 18A, in einen ausgereifteren Zustand zu bringen, sagt Hafez.
Geschmacksrichtungen von Intel 3
Die Dipol-Arbeitsfunktion ist nicht die einzige Technologie, die hinter der 18-prozentigen Steigerung von Intel 3 gegenüber seinem Vorgänger steckt. Dazu gehören perfekter geformte Rippen, klarer definierte Kontakte zum Transistor sowie geringere Widerstände und Kapazitäten in den Verbindungen. (Hafez beschreibt alles hier.)
Intel nutzt dieses Verfahren zum Bau seiner Xeon 6-Prozessoren und plant, seinen Kunden drei Varianten dieser Technologie anzubieten, darunter eine, 3-PT, mit 9-Mikrometer-Silizium-Durchgangslöchern für den Einsatz beim 3D-Stacking. „Wir gehen davon aus, dass Intel 3-PT noch einige Zeit das Rückgrat unserer Gießereiprozesse sein wird“, sagt Hafez.
Aus den Artikeln auf Ihrer Website
Verwandte Artikel im Internet