技术探秘：英特尔45纳米高k金属栅极工艺
[日期：2007-11-22]     来源：电子工程专辑 

　

11月12日，英特尔出货采用高k金属栅极技术的首款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》[屏蔽]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[屏蔽]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gate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gate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