Intel’s nieuwe FinFET stelt plannen voor gieterijserviceproviders voor

Vorige week heeft Intel op het VLSI Symposium het productieproces gedetailleerd beschreven dat de basis zal vormen van zijn gieterijservice voor high-performance datacenterklanten. Voor hetzelfde stroomverbruik resulteert het Intel 3-proces in een prestatieverbetering van 18 procent ten opzichte van zijn voorganger, de Intel 4. Aan de voorkant van het bedrijf is de Intel 3 de laatste die de fin-effect transistor (FinFET)-structuur gebruikt, die de bedrijf pionierde in 2011. Maar het omvat ook Intel’s eerste gebruik van een technologie die essentieel is voor zijn plannen, lang nadat FinFET niet langer toonaangevend is. Bovendien is de technologie van cruciaal belang voor de plannen van het bedrijf om een ​​gieterij te worden en hoogwaardige chips voor andere bedrijven te produceren.

Het wordt een dipoolwerkfunctiemetaal genoemd en stelt de chipontwerper in staat transistors met verschillende drempelspanningen te selecteren. Drempelspanning is het niveau waarop het apparaat wordt in- of uitgeschakeld. Met het Intel 3-proces kan een enkele chip apparaten bevatten die een van de vier strak gecontroleerde drempelspanningen hebben. Dit is belangrijk omdat verschillende functies het beste werken met verschillende drempelspanningen. Voor cachegeheugen zijn bijvoorbeeld doorgaans apparaten met een hoge uitschakelspanning nodig om energieverbruikende stroomlekkage te voorkomen. Terwijl andere circuits mogelijk de snelste schakelapparaten nodig hebben, met de laagste spanningsdrempel.

De drempelspanning wordt ingesteld door de gate-stack van de transistor, een laag metaal en isolatie die de stroomstroom door de transistor regelt. Historisch gezien “bepaalde de dikte van het metaal de drempelspanning”, legt Walid Hafez, vice-president van de ontwikkeling van gieterijtechnologie bij Intel, uit. “Hoe dikker het metaal, hoe lager de spanningsdrempel.” Maar deze afhankelijkheid van transistorgeometrie brengt enkele nadelen met zich mee, aangezien apparaten en circuits kleiner worden.

Kleine afwijkingen in het productieproces kunnen het metaalvolume in de poort veranderen, wat leidt tot een enigszins breed bereik aan drempelspanningen. En dit is waar het Intel 3-proces een voorbeeld is van de verschuiving van Intel die chips voor zichzelf maakt naar het opereren als gieterij.

“De manier waarop een externe gieterij werkt is heel anders” dan een fabrikant van geïntegreerde apparaten zoals Intel tot voor kort, zegt Hafez. Klanten van gieterijen “hebben verschillende dingen nodig… Een van die dingen die ze nodig hebben is een zeer kleine variatie in de drempelspanning.”

Intel is anders; zelfs zonder strikte drempelspanningstoleranties kan het al zijn onderdelen verkopen door de best presterende bedrijven naar zijn datacenteractiviteiten te sturen en de minder presterende naar andere marktsegmenten.

“Veel externe kopers doen dat niet”, zegt hij. Als de chip niet aan hun limieten voldoet, moeten ze deze mogelijk afwijzen. “Om Intel 3 succesvol te laten zijn in de gieterij, moeten er zeer kleine variaties zijn.”

Dipoli voor altijd

De materialen voor de duty-functie van de dipool garanderen de nodige controle over de drempelspanning zonder dat u zich zorgen hoeft te maken over hoeveel ruimte u in de poort heeft. Het is een gepatenteerde mix van metalen en andere materialen die, ondanks dat ze slechts ångström dik zijn, een krachtig effect hebben op het siliciumkanaal van de transistor.

Intel’s gebruik van dipoolwerkfunctiemateriaal betekent dat de poort rond elke vin in de FinFET dunner is.Intel

Net als de oude, dikke metalen poorten verandert de nieuwe materiaalmix elektrostatisch de structuur van de siliciumstrips om de drempelspanning te verschuiven. Maar dit gebeurt door een dipool – een scheiding van ladingen – te induceren in de dunne isolatie tussen het silicium en het silicium.

Omdat gieterijklanten strenge controle over Intel hebben geëist, is het waarschijnlijk dat concurrenten TSMC en Samsung al dipolen gebruiken in hun nieuwste FinFET-processen. Waar dergelijke structuren precies van zijn gemaakt is een bedrijfsgeheim, maar lanthaan is een onderdeel van eerder onderzoek en was een belangrijk ingrediënt in ander onderzoek gepresenteerd door het Belgische micro-elektronica-onderzoekscentrum Imec. In dat onderzoek werd gekeken hoe het materiaal het beste rond stapels horizontale siliciumstrips kon worden opgebouwd in plaats van een of twee verticale vinnen.

In deze apparaten, nanosheets of poorttransistors genoemd, bevinden zich slechts nanometers tussen elk siliciumlint, dus dipolen zijn essentieel. Samsung heeft al een nanosheet-proces geïntroduceerd en dat van Intel, genaamd 20A, staat gepland voor later dit jaar. De introductie van de dipoolwerkfunctie in Intel 3 helpt de 20A en zijn opvolger, de 18A, naar een meer volwassen staat te brengen, zegt Hafez.

Intel 3 smaken

De dipoolwerkfunctie was niet de enige technologie achter de stijging van 18 procent van de Intel 3 ten opzichte van zijn voorganger. Daartoe behoren perfecter gevormde vinnen, scherper gedefinieerde contacten op de transistor en een lagere weerstand en capaciteit in de onderlinge verbindingen. (Hafez beschrijft het hier allemaal in detail.)

Intel gebruikt het proces om zijn Xeon 6-CPU’s te bouwen. Het bedrijf is van plan klanten drie varianten van de technologie aan te bieden, waaronder één, 3-PT, met een siliciumgat van 9 micrometer voor gebruik bij 3D-stapelen. “We verwachten dat de Intel 3-PT nog geruime tijd de ruggengraat van onze gieterijprocessen zal vormen”, zegt Hafez.