技術(shù)探秘：英特爾45納米高k金屬柵極工藝

　　英特爾出貨采用高k金屬柵極技術(shù)的首款45納米微處理器。不論是為了突出這件事的重要意義，還是為了強(qiáng)調(diào)其著名定律仍然有效，摩爾已成為英特爾45納米技術(shù)營銷活動的主角。摩爾稱這項(xiàng)創(chuàng)新是“20世紀(jì)60年代多晶硅柵極MOS晶體管出現(xiàn)以來，晶體管技術(shù)的最大變化”。甚至《時(shí)代》雜志認(rèn)為，英特爾Penryn微處理器是2007年最佳發(fā)明之一。

　　但在這些高調(diào)宣傳背后還是有一些實(shí)質(zhì)內(nèi)容的。硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對多晶硅愛不釋手，難以割舍;實(shí)際上，許多制造商在到達(dá)32納米節(jié)點(diǎn)以前不會放棄多晶硅。英特爾向來比同業(yè)更快地推出新技術(shù)，它的45納米處理器也不例外。英特爾的這種晶體管工程，是一個(gè)巨大進(jìn)步。這主要是通過采用高k金屬柵極——HkMG實(shí)現(xiàn)的。

　　摩爾定律隨著MOS晶體管尺寸、功率和性能不斷縮小而得到證明。自從到達(dá)90納米節(jié)點(diǎn)以來，晶體管的物理尺寸一直保持不變。一旦柵極介質(zhì)縮小到1.2納米(大約相當(dāng)于四個(gè)原子層)，就難以進(jìn)一步縮小了。

　　硅CMOS發(fā)展成我們目前占據(jù)的ULSI世界，主要是因?yàn)檫@種天生的氧化物在所有的硅表面上都能快速生長。以非常低的缺陷密度在通道表面上生長SiO2的能力，產(chǎn)生了NMOS和CMOS，取代了硅雙極技術(shù)，用于生產(chǎn)集成電路。從130納米節(jié)點(diǎn)開始，把氮加入SiO2使電氣性能有了一些提高。

　　90納米需要有新材料來代替柵極介質(zhì)，這樣才能維持摩爾定律的有效性。但是，通道應(yīng)變工程得到廣泛采用，把柵極介質(zhì)替換推遲了幾代。應(yīng)變硅提高了晶體管的性能和功耗，在沒有引入革命性材料的情況下維持了制程的發(fā)展速度。

　　模片標(biāo)記(die marking)：Intel Penryn

　　但氧氮化物，即SiON柵極介質(zhì)的厚度已經(jīng)不能再薄了。由于SiON只能使介電常數(shù)(k)改善50%左右，所以材料必須有根本性變化。進(jìn)一步降低SiON的厚度，將導(dǎo)致柵極漏電流過高，并降低器件的可靠性。45納米器件目標(biāo)需要1納米厚的SiON層，實(shí)際上只有三個(gè)原子層那樣厚。不僅漏電流是個(gè)大問題，而且也沒有為厚度變化留出余地。

　　利用高k材料的好處是，可以把它的物理厚度做得很小，以限制柵極漏電流，同時(shí)從電氣角度也可以把厚度做到很薄，以對FET通道有足夠的控制，維持或提高性能。

　　英特爾向來在縮小尺寸方面不遺余力，尤其是在柵極介質(zhì)方面。65納米節(jié)點(diǎn)上的物理厚度值比AMD的四核微處理器薄13%。在65納米節(jié)點(diǎn)上，英特爾與AMD技術(shù)之間的根本差異是開始晶圓(starting wafer)。AMD轉(zhuǎn)向絕緣體硅(SOI)，英特爾則堅(jiān)持使用塊狀硅(bulk silicon)。乍看起來這可能顯得不合邏輯，因?yàn)镾OI器件的柵極漏電流問題較小，而且可以利用更薄的柵極電介質(zhì)來滿足規(guī)格。AMD的做法是在給定的晶體管性能水平上，更加嚴(yán)格地限制功耗。

　　NOMS晶體管：電子掃描電鏡截面分析

　　英特爾聲稱，進(jìn)一步降低SiON的厚度是可行的，但考慮到缺乏到32納米的可縮放性，可能還不具備生產(chǎn)條件或者值得這么做。為了說明這點(diǎn)，在11月初舉行的IBM通用平臺技術(shù)論壇會議上是這樣表述的：“原子不能縮放。”

　　在宣布45納米制程和高k之前，英特爾科技與制造部門的高級研究人員Mark Bohr經(jīng)常指出，源極與漏極之間的通道泄漏比柵極至通道的泄漏大得多。英特爾認(rèn)為，不值得在SOI上面下功夫，而且它增加了成本。在大家全力提高M(jìn)PU時(shí)鐘頻率的時(shí)代的早期，晶體管權(quán)威Tahir Ghani就指出，100 A/cm2左右的柵極漏電流密度是可以接受的。當(dāng)時(shí)的普遍目標(biāo)只有1 A/cm2。因此，英特爾迫使業(yè)內(nèi)的其它廠商放松了對可以達(dá)到的柵極泄漏的期望。

　　但那是在過去。現(xiàn)在，集成電路已發(fā)展到了新的時(shí)期。陌生的新材料首次出現(xiàn)在英特爾的45納米晶體管的柵極堆疊結(jié)構(gòu)之中。利用在柵極堆疊技術(shù)方面取得的巨大進(jìn)步，英特爾現(xiàn)在的目標(biāo)是把漏電流改善10倍，甚至更多。

　　PMOS晶體管：電子掃描電鏡截面分析

　　高k電介質(zhì)對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說并不是全新的東西。摩爾定律已經(jīng)推動DRAM單元尺寸縮小到了相當(dāng)?shù)乃?，以至于存儲電容器需要采用專門的電介質(zhì)。

　　各種材料在DRAM中得到了廣泛采用。Al2O5和ZrO2被許多廠商用于生產(chǎn)大批量DRAM。但英特爾是采用任何高k材料的第一家邏輯IC制造商，而且是業(yè)內(nèi)第一家利用高k柵極電介質(zhì)生產(chǎn)FET的廠商。

　　技術(shù)路線圖

　　2005年國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖指向2008年可用的技術(shù)，但更重要的是，它指出柵極漏電流達(dá)到900 A/cm2左右時(shí)，必須采用高k電介質(zhì)。

　　在45納米上，對于HkMG來說有兩個(gè)似乎可行的選擇。你可以從一個(gè)mid gap金屬開始，并分別為NFET和PFET優(yōu)化柵極電介材料。這是一種雙重高k方法。另一種選擇是采用一種單一柵極電介材料，同時(shí)為N型和P型器件調(diào)整柵極材料選擇。這就是所謂的雙重柵極工藝。后一種選擇被英特爾選中，而且可能是分析師押注時(shí)間最長的一種選擇。

　　英特爾45納米技術(shù)的主要特點(diǎn)是利用HfO2作為高k電介材料，把TiN用于NFET取代柵極，把TiN barrier與一種功函數(shù)金屬組成的合金用于PFET取代柵極。

　　英特爾發(fā)表了一篇文章，其中有據(jù)信是它的最終材料選擇，但采用了保守的設(shè)計(jì)規(guī)范制造。英特爾高級研究人員Robert Chau及其共同作者(他們在英特爾的HkMG研究方面都有許多成果)聲稱，在1.3V的漏極電壓下，NFET的ION = 1.66 mA/微米，IOFF = 37 nA/微米。據(jù)稱PFET的數(shù)據(jù)是ION = 0.71 mA/微米，IOFF = 45 nA/微米。這些數(shù)值是利用80納米柵長度晶體管得到的。我們的英特爾晶體管特征值現(xiàn)已齊備，可以與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)加以對比。

　　采用高k柵極電介質(zhì)未能降低英特爾65納米SiON的等效氧化物厚度(EOT)，似乎有些奇怪。實(shí)際上，我們的測量與估計(jì)顯示，厚度還略有上升。但此處真正的故事是金屬柵極技術(shù)，因此我們同意摩爾的說法，即這可能是多晶硅柵極推出以來晶體管技術(shù)的最大變化。正如其他人所指出的那樣，它使MOS器件全面地較早采用了金屬柵極。

　　許多技術(shù)世代以來，EOT縮放問題的最重要部分是多晶硅柵極的空乏層電容。大自然不會允許多晶硅提高金屬性，以克服這個(gè)問題。SiON的物理縮放也已達(dá)到極限。英特爾只能轉(zhuǎn)向金屬柵極，而且有理由同時(shí)利用新型電介質(zhì)來代替氧氮化物。展望未來，英特爾將繼續(xù)改善電介質(zhì)工藝參數(shù)，以開始提高新型高k堆疊的性能。

　　45納米節(jié)點(diǎn)NFET突破2-mA/微米障礙似乎是可行的。但是，我們預(yù)計(jì)，第一代英特爾45納米制程，性能不會比80納米測試結(jié)構(gòu)有太大的提高。但是，是英特爾第一個(gè)開始采用45納米制程的嗎?也許松下電器的最新制程更應(yīng)該早點(diǎn)提及，但我認(rèn)為，它已習(xí)慣或者將會習(xí)慣處于英特爾45納米陰影之中。就尺寸和晶體管密度而言，松下的UniPhier IC實(shí)現(xiàn)了真正的45納米技術(shù)，而且先于英特爾投入了市場。采用這種工藝的松下Blu-Ray播放器在11月初就上市了。通過采用沉浸光刻工藝，松下實(shí)現(xiàn)了我們迄今看到的最小的金屬圖案，M4 half-pitch為67納米。但是，這種柵極堆疊技術(shù)比較傳統(tǒng)，而且比英特爾的落后很多。36納米多晶硅柵極的設(shè)計(jì)目標(biāo)不是為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，而是為了把兩種并列的H.264解碼器塞進(jìn)一個(gè)單一硅片之中。

　　也許令人驚訝，松下實(shí)現(xiàn)的金屬間距比英特爾更緊。雖然英特爾可能因?yàn)榘迅墒焦饪掏七M(jìn)到了45納米而感到自豪，但它無法與松下工廠所達(dá)到的尺寸相比，松下工廠目前采用的沉浸設(shè)備。例如，UniPhier器件最小間距是138納米，直到M4層金屬。而英特爾Penryn的M2層間距為158納米。

　　未來節(jié)點(diǎn)

　　英特爾已為45納米選擇了一種解決方案，只需連續(xù)地改善工藝，而不必對材料進(jìn)行重大改變，就能縮微到32納米。超過了32納米，將是新的游戲。sacrificial poly的線寬為22納米，將導(dǎo)致溝道過窄，無法沉積金屬柵極材料。我們可以預(yù)期，英特爾將采納一種垂直通道晶體管技術(shù)，它被稱為三柵極(tri-gate)，將包含許多在45納米平臺上推出的材料技術(shù)。

　　雖然英特爾可能已被打到了45納米，但它的高k金屬柵極堆疊技術(shù)是一個(gè)重大技術(shù)成就，將允許晶體管縮微進(jìn)程在停滯了多年以后重新啟動。