半导体制造商竞推高k/金属闸技术

      尽管技术最先进的代工厂们才刚开始量产其45nm制程，但供货商们却已经着眼于下一世代的挑战了。各供货商们正竞相开发并推出用于32nm节点的高k电介质与金属闸；这或许可是厂商们迄今为止所面临最严峻的挑战。

      高k电介质和金属闸是微缩与实现下一代晶体管的关键建构模块。但这种技术的复杂性也引发一些问题：代工厂能否及时且具成本效益地利用高k材料和金属闸展开大规模生产？

      然而，在迈向高k/金属闸发展的过程中出现了前闸极(gate-first)、闸极替换和混合等三种不同的方法，使一切变得更加复杂。就目前这个赢家尚未揭晓的复杂领域中，芯片制造商必然希望他们能下注于正确的代工技术。

      IBM公司及共同合作伙伴－美商超微(AMD)、特许半导体(Chartered)、飞思卡尔半导体(Freescale)、英飞凌(Infineon)和三星(Samsung)等公司都尚未正式发布32nm制程。但在日前举行的国际电子组件会议(IEDM)上，IBM公司透露已经开发出用于32nm节点的高k前闸极技术。该技术将在2009年下半年正式供应给IBM及其联盟成员所用，包括特许半导体和三星等代工厂。
IBM的劲敌、代工业的巨擘台积电(TSMC)公司也正悄悄地开发其高k/金属闸技术，但目前也还未发布时间表。TSMC透露，其通用的32nm制程计划将在2009年第三或第四季投入量产。

      其它一些先进的代工厂，包括富士通(Fujitsu)、中芯国际(SMIC)、东芝(Toshiba)和联电(UMC)，也正分别开发其高k/金属闸解决方案。

      然而，由于许多代工厂正忙于量产复杂的45nm制程，他们还有能力使高k和金属闸技术付诸32nm量产吗？尤其高k技术的开发工作相当复杂、成本高，且难度相当大。在32nm节点上，总体制程开发成本可能高达30亿美元，大约是65nm时的2倍，Gartner公司指出。
至今为止，只有英特尔(Intel)和NEC Electronics公司宣布可提供采用高k材料的逻辑组件。英特尔公司正推出以45nm制程制造、并采用高k与金属闸技术的处理器。NEC则发表了基于高k技术和55nm制程的ASIC组件。

      “代工厂开发高k技术所面临的挑战与IDM所面临的挑战是一样的。”Gartner公司分析师Dean Freeman指出，“他们必须开发一种可整合金属闸堆栈与高k电介质的晶体管制程。其挑战之处在于如何正确地进行制程整合。”

      不同的PMOS和NMOS材料也必须被整合于微缩的CMOS组件中。因此，在转向采用高k技术时将会产生很大的副作用，包括可能降低组件性能的阈值电压钉扎(threshold voltage pinning)等问题。

      因此，针对像谁能将高k/金属闸导入市场这样的问题而言，更重要的或许是有谁会需要高k/金属闸技术。该技术非常适用于低待机功率要求的无线组件，但“许多消费性应用却并不需要高k和金属闸。”Freeman说，“部份原因在于成本的考虑。”

      “根据我们对客户的调查，对于高k材料的需求仅见于采用32nm以下制程技术时。在较大的制程节点中使用高k材料的好处并不明显，因此我们还未接获用户出现这方面的要求。”东芝公司客制SoC和代工业务部门业务开发总监Rakesh Sethi表示。
 

逻辑组件的飞跃进展

      高k电介质的应用并不是什么新兴技术。DRAM供货商过去曾经用它来减少持续微缩的内存设计中所用的电容尺寸。然而，该技术的新颖之处表现在以高k电介质和金属闸来实现先进的逻辑组件。
几十年来，逻辑芯片制造商一直在使用二氧化硅(SiO2)作为晶体管闸极电介质的关键绝缘材料，同时也部署多晶硅以形成NMOS和PMOS晶体管的闸电极。这种材料组合一直用到90nm节点，其后业界已经无法再进一步微缩SiO2闸极电介质了，因此导致了漏电流和功耗急剧上升。

      为了解决90、65和45nm节点所遇到的这些难题，大多数的芯片制造商发明了应力工程技术，可用以暂时缓解改变闸极电介质或电极材料的需求。在45nm以后，高k材料可望代替SiO2，同时金属闸将成为多晶硅电极的极佳替代品。因为，采用铪材料的高k技术并不兼容于多晶硅。

       一些公司表现得比较超前。Intel公司正提供的45nm处理器采用的是闸极替换方法，而IBM采用的是前闸极技术。在前闸极技术中，与传统CMOS制程一样，闸极堆栈是在源极和漏极之前形成。闸极替换技术是一种闸极后加工的技术，其闸极堆栈的形成在源极和漏极之后。

      今年一月份，IBM及其技术合作伙伴发布了用于45nm节点的高k/金属闸技术。IBM将这种技术称为‘私有’技术，计划在2008年度内，用于尚未透露的产品上。

      业界曾推测IBM在整合PMOS部份时遇到了一些问题，因而延迟了其与合作伙伴的制程进展。但在最近的一次采访中，IBM半导体研发中心副总裁Gary Patton表示，该公司的高k技术开发计划进展顺利。

      IBM公司尚未推出任何采用高k材料的产品。但IBM的一家合作伙伴─AMD公司则不顾一切地要求在45nm节点采用高k技术，以便能迎头赶上其竞争对手英特尔。但在谈到IBM技术是否已准备就绪时，AMD表示并未承诺在45nm节点时一定要用高k技术，在该节点上改变电介质的作法只是一种‘备选方案’。

      AMD公司将在其32nm产品中采用高k/金属闸技术，AMD逻辑技术开发总监John Pellerin透露。John Pellerin也是该公司与IBM共同开发计划的负责人。AMD希望能在2010年左右开始生产32nm高k芯片。

      IBM及其合作伙伴声称已经采用高k前闸极的方法，开发出低功耗代工CMOS技术，并展示了32nm SRAM，其单元面积小于0.15平方微米，这可算是业界首款采用前闸极高k技术制造的32nm组件。

      与用于45nm时的技术相较，高k材料可将整体芯片功耗降低多达45%，这是为手持装置实现更长电池使用时间的重要因素，IBM表示。

      多年来，台积电“一直致力于与比利时校际微电子中心(IMEC)，以及德州仪器(TI)等合作伙伴共同合作开发高k技术和金属闸。”Gartner公司的Freeman指出。

      台积电“似乎有能力在2008年底或2009年初发布其45nm节点的第二代高k/金属闸制程。”Freeman表示。

      台积电也可能将在2009年下半年于32nm节点中采用这种技术。最近，台积电已披露了来自IMEC在IEDM发布的部份声明，指出采用基于铪的高k电介质和用于32nm节点的碳化钽金属闸后，对于改善CMOS性能方面的进展。

      在CMOS组件中使用高k电介质的一项主要挑战就是高阈值电压，它可能会导致组件性能降低。但是IMEC声称只用了一个电介质堆栈和一个金属层，便已能够开发出一个简单且低成本的整合方案。

      在闸极电介质和金属闸之间沈积了一层薄薄的电介质覆盖层，能将组件功能调节到最佳的操作区，IMEC表示。基于镧和镝的覆盖层用于NMOS，而基于铝的覆盖层则用于PMOS。采用这种技术后，IMEC的合作伙伴台积电和恩智浦(NXP)便能够展示该公司所谓的‘绝佳的驱动电流’规格。