技术探秘:英特尔45纳米高k金属栅极工艺

2007-11-22 08:29:10来源: 电子工程专辑

11月12日,英特尔出货采用高k金属极技术的首款45纳米微处理器。不论是为了突出这件事的重要意义,还是为了强调其著名定律仍然有效,摩尔已成为英特尔45纳米技术营销活动的主角。摩尔称这项创新是“20世纪60年代多晶硅栅极MOS晶体管出现以来,晶体管技术的最大变化”。甚至《时代》杂志认为,英特尔Penryn微处理器是2007年最佳发明之一。

但在这些高调宣传背后还是有一些实质内容的。硅半导体产业对多晶硅爱不释手,难以割舍;实际上,许多制造商在到达32纳米节点以前不会放弃多晶硅。英特尔向来比同业更快地推出新技术,它的45纳米处理器也不例外。英特尔的这种晶体管工程,是一个巨大进步。这主要是通过采用高k金属栅极——HkMG实现的。

摩尔定律随着MOS晶体管尺寸、功率和性能不断缩小而得到证明。自从到达90纳米节点以来,晶体管的物理尺寸一直保持不变。一旦栅极介质缩小到1.2纳米(大约相当于四个原子层),就难以进一步缩小了。

硅CMOS发展成我们目前占据的ULSI世界,主要是因为这种天生的氧化物在所有的硅表面上都能快速生长。以非常低的缺陷密度在通道表面上生长SiO2的能力,产生了NMOS和CMOS,取代了硅双极技术,用于生产集成电路。从130纳米节点开始,把氮加入SiO2使电气性能有了一些提高。

90纳米需要有新材料来代替栅极介质,这样才能维持摩尔定律的有效性。但是,通道应变工程得到广泛采用,把栅极介质替换推迟了几代。应变硅提高了晶体管的性能和功耗,在没有引入革命性材料的情况下维持了制程的发展速度。

模片标记(die marking):Intel Penryn

但氧氮化物,即SiON栅极介质的厚度已经不能再薄了。由于SiON只能使介电常数(k)改善50%左右,所以材料必须有根本性变化。进一步降低SiON的厚度,将导致栅极漏电流过高,并降低器件的可靠性。45纳米器件目标需要1纳米厚的SiON层,实际上只有三个原子层那样厚。不仅漏电流是个大问题,而且也没有为厚度变化留出余地。

利用高k材料的好处是,可以把它的物理厚度做得很小,以限制栅极漏电流,同时从电气角度也可以把厚度做到很薄,以对FET通道有足够的控制,维持或提高性能。

英特尔向来在缩小尺寸方面不遗余力,尤其是在栅极介质方面。65纳米节点上的物理厚度值比AMD的四核微处理器薄13%。在65纳米节点上,英特尔与AMD技术之间的根本差异是开始晶圆(starting wafer)。AMD转向绝缘体硅(SOI),英特尔则坚持使用块状硅(bulk silicon)。乍看起来这可能显得不合逻辑,因为SOI器件的栅极漏电流问题较小,而且可以利用更薄的栅极电介质来满足规格。AMD的做法是在给定的晶体管性能水平上,更加严格地限制功耗。

NOMS晶体管:电子扫描电镜截面分析

英特尔声称,进一步降低SiON的厚度是可行的,但考虑到缺乏到32纳米的可缩放性,可能还不具备生产条件或者值得这么做。为了说明这点,在11月初举行的IBM通用平台技术论坛会议上是这样表述的:“原子不能缩放。”

在宣布45纳米制程和高k之前,英特尔科技与制造部门的高级研究人员Mark Bohr经常指出,源极与漏极之间的通道泄漏比栅极至通道的泄漏大得多。英特尔认为,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MPU时钟频率的时代的早期,晶体管权威Tahir Ghani就指出,100 A/cm2左右的栅极漏电流密度是可以接受的。当时的普遍目标只有1 A/cm2。因此,英特尔迫使业内的其它厂商放松了对可以达到的栅极泄漏的期望。

但那是在过去。现在,集成电路已发展到了新的时期。陌生的新材料首次出现在英特尔的45纳米晶体管的栅极堆叠结构之中。利用在栅极堆叠技术方面取得的巨大进步,英特尔现在的目标是把漏电流改善10倍,甚至更多。

PMOS晶体管:电子扫描电镜截面分析

高k电介质对于半导体产业来说并不是全新的东西。摩尔定律已经推动DRAM单元尺寸缩小到了相当的水平,以至于存储电容器需要采用专门的电介质。

各种材料在DRAM中得到了广泛采用。Al2O5和ZrO2被许多厂商用于生产大批量DRAM。但英特尔是采用任何高k材料的第一家逻辑IC制造商,而且是业内第一家利用高k栅极电介质生产FET的厂商。

技术路线图

2005年国际半导体技术路线图指向2008年可用的技术,但更重要的是,它指出栅极漏电流达到900 A/cm2左右时,必须采用高k电介质。

在45纳米上,对于HkMG来说有两个似乎可行的选择。你可以从一个mid gap金属开始,并分别为NFET和PFET优化栅极电介材料。这是一种双重高k方法。另一种选择是采用一种单一栅极电介材料,同时为N型和P型器件调整栅极材料选择。这就是所谓的双重栅极工艺。后一种选择被英特尔选中,而且可能是分析师押注时间最长的一种选择。

英特尔45纳米技术的主要特点是利用HfO2作为高k电介材料,把TiN用于NFET取代栅极,把TiN barrier与一种功函数金属组成的合金用于PFET取代栅极。

英特尔发表了一篇文章,其中有据信是它的最终材料选择,但采用了保守的设计规范制造。英特尔高级研究人员Robert Chau及其共同作者(他们在英特尔的HkMG研究方面都有许多成果)声称,在1.3V的漏极电压下,NFET的ION = 1.66 mA/微米,IOFF = 37 nA/微米。据称PFET的数据是ION = 0.71 mA/微米,IOFF = 45 nA/微米。这些数值是利用80纳米栅长度晶体管得到的。我们的英特尔晶体管特征值现已齐备,可以与文献中的数据加以对比。

采用高k栅极电介质未能降低英特尔65纳米SiON的等效氧化物厚度(EOT),似乎有些奇怪。实际上,我们的测量与估计显示,厚度还略有上升。但此处真正的故事是金属栅极技术,因此我们同意摩尔的说法,即这可能是多晶硅栅极推出以来晶体管技术的最大变化。正如其他人所指出的那样,它使MOS器件全面地较早采用了金属栅极。

许多技术世代以来,EOT缩放问题的最重要部分是多晶硅栅极的空乏层电容。大自然不会允许多晶硅提高金属性,以克服这个问题。SiON的物理缩放也已达到极限。英特尔只能转向金属栅极,而且有理由同时利用新型电介质来代替氧氮化物。展望未来,英特尔将继续改善电介质工艺参数,以开始提高新型高k堆叠的性能。

45纳米节点NFET突破2-mA/微米障碍似乎是可行的。但是,我们预计,第一代英特尔45纳米制程,性能不会比80纳米测试结构有太大的提高。但是,是英特尔第一个开始采用45纳米制程的吗?也许松下电器的最新制程更应该早点提及,但我认为,它已习惯或者将会习惯处于英特尔45纳米阴影之中。就尺寸和晶体管密度而言,松下的UniPhier IC实现了真正的45纳米技术,而且先于英特尔投入了市场。采用这种工艺的松下Blu-Ray播放器在11月初就上市了。通过采用沉浸光刻工艺,松下实现了我们迄今看到的最小的金属图案,M4 half-pitch为67纳米。但是,这种栅极堆叠技术比较传统,而且比英特尔的落后很多。36纳米多晶硅栅极的设计目标不是为了实现最佳性能,而是为了把两种并列的H.264解码器塞进一个单一硅片之中。

也许令人惊讶,松下实现的金属间距比英特尔更紧。虽然英特尔可能因为把干式光刻推进到了45纳米而感到自豪,但它无法与松下工厂所达到的尺寸相比,松下工厂目前采用的沉浸设备。例如,UniPhier器件最小间距是138纳米,直到M4层金属。而英特尔Penryn的M2层间距为158纳米。

未来节点

英特尔已为45纳米选择了一种解决方案,只需连续地改善工艺,而不必对材料进行重大改变,就能缩微到32纳米。超过了32纳米,将是新的游戏。sacrificial poly的线宽为22纳米,将导致沟道过窄,无法沉积金属栅极材料。我们可以预期,英特尔将采纳一种垂直通道晶体管技术,它被称为三栅极(tri-gate),将包含许多在45纳米平台上推出的材料技术。

虽然英特尔可能已被打到了45纳米,但它的高k金属栅极堆叠技术是一个重大技术成就,将允许晶体管缩微进程在停滞了多年以后重新启动。

关键字:MOS  通道  双极  标记

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/news/eda/200711/16965.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
MOS
通道
双极
标记

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 数字电视 安防电子 医疗电子 物联网

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved