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HKMG實(shí)現(xiàn)工藝的兩大流派及其詳解
隨著晶體管尺寸的不斷縮小，HKMG(high-k絕緣層+金屬柵極)技術(shù)幾乎已經(jīng)成為45nm以下級別制程的必備技術(shù).不過在制作HKMG結(jié)構(gòu)晶體管的工藝方面，業(yè)內(nèi)卻存在兩大各自固執(zhí)己見的不同陣營，分別是以IBM為代表的Gate-first工藝流派和以Intel為代表的Gate-last工藝流派，盡管兩大陣營均自稱只有自己的工藝才是最適合制作HKMG晶體管的技術(shù)，但一般來說使用Gate-first工藝實(shí)現(xiàn)HKMG結(jié)構(gòu)的難點(diǎn)在于如何控制PMOS管的Vt電壓(門限電壓);而Gate-last工藝的難點(diǎn)則在于工藝較復(fù)雜，芯片的管芯密度同等條件下要比Gate-first工藝低，需要設(shè)計(jì)方積極配合修改電路設(shè)計(jì)才可以達(dá)到與Gate-first工藝相同的管芯密度級別。
HKMG實(shí)現(xiàn)工藝的兩大流派：
Gate-last陣營：目前已經(jīng)表態(tài)支持Gate-last工藝的除了Intel公司之外(從45nm制程開始，Intel便一直在制作HKMG晶體管時(shí)使用Gate-last工藝)，主要還有芯片代工業(yè)的最大巨頭臺(tái)積電，后者是最近才決定在今年推出的28nmHKMG制程產(chǎn)品中啟用Gate-last工藝(有關(guān)內(nèi)容詳見這個(gè)鏈接)。
Gate-first陣營：Gate-first工藝方面，支持者主要是以IBM為首的芯片制造技術(shù)聯(lián)盟FishkillAlliance的所屬成員，包括IBM，英飛凌，NEC，GlobalFoundries,三星,意法半導(dǎo)體以及東芝等公司，盡管該聯(lián)盟目前還沒有正式推出基于HKMG技術(shù)的芯片產(chǎn)品，但這些公司計(jì)劃至少在32/28nmHKMG級別制程中會(huì)繼續(xù)使用Gate-first工藝，不過最近有消息傳來稱聯(lián)盟中的成員三星則已經(jīng)在秘密研制Gate-last工藝(有關(guān)內(nèi)容詳見這個(gè)鏈接)。另外，***聯(lián)電公司的HKMG工藝方案則較為特殊，在制作NMOS管的HKMG結(jié)構(gòu)時(shí)，他們使用Gate-first工藝，而制作PMOS管時(shí)，他們則會(huì)使用Gate-last工藝。
HKMG的優(yōu)勢和缺點(diǎn)：
優(yōu)勢：不管使用Gate-first和Gate-last哪一種工藝，制造出的high-k絕緣層對提升晶體管的性能均有重大的意義。high-k技術(shù)不僅能夠大幅減小柵極的漏電量，而且由于high-k絕緣層的等效氧化物厚度(EOT:equivalentoxidethickness)較薄，因此還能有效降低柵極電容。這樣晶體管的關(guān)鍵尺寸便能得到進(jìn)一步的縮小，而管子的驅(qū)動(dòng)能力也能得到有效的改善。
缺點(diǎn)：不過采用high-k絕緣層的晶體管與采用硅氧化物絕緣層的晶體管相比，在改善溝道載流子遷移率方面稍有不利。
Gatefirst/Gatelast的優(yōu)缺點(diǎn)差別分析與未來應(yīng)用狀況：
不過，采用Gate-first工藝制作HKMG結(jié)構(gòu)時(shí)卻有一些難題需要解決。一些專家認(rèn)為，如果采用Gate-first工藝制作HKMG,那么由于用來制作high-k絕緣層和制作金屬柵極的材料必須經(jīng)受漏源極退火工步的高溫，因此會(huì)導(dǎo)致PMOS管Vt門限電壓的上升，這樣便影響了管子的性能。而持不同觀點(diǎn)的專家，包括GlobalFoundries公司的技術(shù)總監(jiān)JohnPellerin等人則強(qiáng)調(diào)Gate-first工藝不需要電路設(shè)計(jì)方在電路設(shè)計(jì)上做太多更改，而且性能上也完全能夠滿足32/28nm節(jié)點(diǎn)制程的要求。
Pellerin強(qiáng)調(diào)：“我們肯定會(huì)在28nm節(jié)點(diǎn)制程上使用Gate-first工藝。其原因是我們的客戶希望在轉(zhuǎn)換到HKMG結(jié)構(gòu)時(shí)能夠盡量避免過多的設(shè)計(jì)變更?！?/font>
而臺(tái)積電的技術(shù)高管蔣尚義則表示，類似的難題業(yè)界在20年前便曾經(jīng)經(jīng)歷過：“當(dāng)時(shí)業(yè)界同樣曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)N+摻雜的PMOS柵極材料會(huì)造成Vt電壓較高，這樣業(yè)內(nèi)一些公司便開始向溝道中摻雜雜質(zhì)以壓低Vt，結(jié)果卻帶來了很多副作用，比如造成短通道效應(yīng)更為明顯等等?！倍壳笆褂肎ate-first工藝制作HKMG晶體管的方案的情況則與此非常類似，盡管人們可以采用加入上覆層等方式來改善Gate-first工藝容易造成Vt過高的問題，但是加入上覆層的工藝卻非常復(fù)雜和難于掌握。因此臺(tái)積電干脆選擇轉(zhuǎn)向Gate-last工藝，不過Gate-last工藝實(shí)施時(shí)如果想保持與Gate-first工藝產(chǎn)品的管芯密度近似，需要設(shè)計(jì)方對電路Layout進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。
專家意見：
Gartner公司的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分析師DeanFreeman表示：“臺(tái)積電轉(zhuǎn)向Gate-last，說明這種工藝在性能方面還是存在一定的優(yōu)越性的。雖然Gate-first工藝制成的產(chǎn)品在管芯密度方面較有優(yōu)勢，但繼續(xù)應(yīng)用這種工藝一定存在一些臺(tái)積電無法克服的難題?！?/font>
歐洲校際微電子中心組織IMEC負(fù)責(zé)high-k技術(shù)研發(fā)的主管ThomasHoffmann曾經(jīng)在IE
DM2009大會(huì)上指出了Gate-first工藝在性能方面存在的不足，不過在會(huì)后的一次訪談中，他表示盡管Gate-first存在一些性能方面的缺點(diǎn)，但是對一部分對性能并不十分敏感的第功耗器件還是能夠滿足要求的。
他表示：“對瑞薩等開發(fā)低功耗器件的公司而言，也許Gate-first工藝是目前較好的選擇。這類器件一般對Vt值和管子的性能并沒有太高的要求。不過當(dāng)產(chǎn)品的制程節(jié)點(diǎn)發(fā)展到28nm以上級別時(shí)，這些公司便需要轉(zhuǎn)向Gate-last。”不過”對以追求性能為主的廠商而言，Gate-last則是必然之選。IBM的產(chǎn)品顯然屬于這種類型，所以我認(rèn)為如果他們不使用Gate-last的話，就必須在如何降低Vt的問題上想出好辦法。當(dāng)然這種方案的復(fù)雜性會(huì)更大，而且還有可能會(huì)影響到產(chǎn)品的良率。而最終他們也有可能會(huì)倒向Gate-last工藝，這就是IBMFishkill生產(chǎn)技術(shù)聯(lián)盟中的伙伴感到擔(dān)心的地方。
Gate-first工藝控制管子門限電壓的方案和難點(diǎn)所在：上覆層(Caplayer)：
據(jù)Hoffmann介紹，盡管在Gate-last工藝中，制造商在蝕刻和化學(xué)拋光(CMP)工步會(huì)遇到一些難題，但是Gate-first工藝也并非省油的燈。如前所述，目前Gate-first工藝雖然不好控制Vt，但也不是完全沒有辦法，其主要的手段是通過設(shè)置一定厚度的high-k絕緣體上覆層(caplayer)來實(shí)現(xiàn)，這種方案需要在high-k層的上下位置沉積氧化物薄層。比如在NMOS管中，便需要在high-k層的上部沉積一層厚度小于1nm的La2O3薄層，以達(dá)到調(diào)整Vt電壓的目的;而在PMOS管中，則需要通過蝕刻工步將這一層薄層去掉，換成Al2O3材質(zhì)的薄層，這樣便需要復(fù)雜的工藝來控制如何在PMOS管中將這一薄層去掉而不影響到NMOS的上覆層。
他表示：“NMOS管的上覆層需要采用La2O3材料制作，而PMOS管則需要用Al2O3來制作上覆層，這樣就需要在NMOS管的上覆層上覆蓋一層光阻膠，然后再用顯影+蝕刻方式去掉沉積在PMOS管中的La2O3，不過處理完成之后要除去覆蓋在厚度小于1nm的La2O3上覆層上的光阻膠時(shí)，由于上覆層的厚度極薄，因此如果不能小心控制就會(huì)對上覆層造成一定的損壞，這就要求廠商具備非常高超精密的去膠工藝。”
Gate-last的優(yōu)勢：可自由設(shè)置和調(diào)配柵電極材料的功函數(shù)值，充分控制Vt電壓
ASM公司的外延產(chǎn)品和ALD(原子層淀積)業(yè)務(wù)部經(jīng)理GlenWilk則表示業(yè)內(nèi)已經(jīng)就gate-first與gate-last之間在性能，復(fù)雜程度和成本方面的優(yōu)劣對比爭執(zhí)了許久，”不過我認(rèn)為隨著產(chǎn)品制程尺寸的進(jìn)一步縮小，gate-last工藝的優(yōu)越性開始逐步體現(xiàn)，由于這種工藝的柵極不必經(jīng)受高溫工步，因此廠商可以更加自由地設(shè)置和調(diào)配柵電極材料的功函數(shù)值，并很好地控制住管子的Vt電壓?！?/font>
Wilk表示，隨著制程尺寸的進(jìn)一步縮小，采用gate-first工藝的廠商會(huì)發(fā)現(xiàn)“PMOS管的特性越來越難控制，實(shí)施Gate-first工藝的難度也悅來越大，因此我認(rèn)為未來業(yè)界對gate-last工藝的關(guān)注程度會(huì)越來越廣泛?！盬ilk認(rèn)為，由于gate-last工藝可以很好地控制柵極材料的功函數(shù)，而且還能為PMOS管的溝道提供有利改善溝道載流子流動(dòng)性的硅應(yīng)變力，因此gate-last工藝將非常適合低功耗，高性能產(chǎn)品使用，他表示：“不過我認(rèn)為內(nèi)存芯片廠商可能在轉(zhuǎn)向gate-last工藝時(shí)的步伐可能會(huì)稍慢一些，他們可能會(huì)在未來一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)使用gate-first工藝，不過gate-last工藝顯然有助于提升產(chǎn)品的性能和降低產(chǎn)品的待機(jī)功耗?！?/font>
而AppliedMaterials公司的CTOHansStork則表示gate-first工藝需要小心對待用來控制Vt電壓的上覆層的蝕刻工步，而gate-last工藝則需要在金屬淀積和化學(xué)拋光工步加以注意?！伴L遠(yuǎn)地看，我認(rèn)為Gate-last工藝的前景更好一些。”他表示芯片廠商目前都非常關(guān)注Intel公司的32nm制程SOC芯片工藝，在這種工藝中，high-k絕緣層的等效氧化物厚度(EOT)為0.95nm.他說：“Intel將其32nm gate-last制程SOC芯片產(chǎn)品的應(yīng)用范圍從高性能應(yīng)用市場進(jìn)一步拓展到了低漏電/低電壓應(yīng)用領(lǐng)域，而手機(jī)芯片則正好需要具備這些特性?！笨蛻魝儗ate-last和gate-first工藝在工函數(shù)控制，成本，產(chǎn)能，良品率等方面的實(shí)際對比數(shù)據(jù)非常關(guān)注。以至于已經(jīng)有部分手機(jī)芯片廠商如高通等已經(jīng)開始要求代工商能為他們提供“能與Intel的產(chǎn)品性能相近”的產(chǎn)品。
在IEDM2009會(huì)議上，高通公司的高管曾表示他們很支持臺(tái)積電去年七月份宣布將啟用Gate-last工藝的決定。而今年1月份，高通則宣布已經(jīng)與GlobalFoundries公司簽訂了28nm制程產(chǎn)品的代工協(xié)議。這樣，屆時(shí)人們便有機(jī)會(huì)可以實(shí)際對比一下分別來自臺(tái)積電和GlobalFoundries兩家公司，分別使用Gate-last與gate-first兩種工藝制作出的手機(jī)芯片產(chǎn)品在性能方面究竟有多大的區(qū)別。目前，高通公司的40nm制程手機(jī)用處理器類屬與高性能芯片，其運(yùn)行頻率達(dá)到了1GHz，不過其功耗也控制得相當(dāng)好，在谷歌Android智能手機(jī)中有使用這種處理器產(chǎn)品。
Intel公司的制程技術(shù)高管MarkBohr則表示Intel公司的Atom SOC芯片還需要一年左右的時(shí)間才會(huì)啟用32nm制程工藝。當(dāng)被問及應(yīng)用gate-last工藝以后為什么芯片的核心尺寸會(huì)有所增大，是不是由于gate-last本身的限制，導(dǎo)致更改后的電路設(shè)計(jì)方案管芯密度有所下降的問題時(shí)，Bohr表示Intel公司45nm gate-last HKMG制程產(chǎn)品上電路設(shè)計(jì)方案的變動(dòng)并不是由于應(yīng)用了gate-last所導(dǎo)致，而是與當(dāng)時(shí)Intel在45nm制程產(chǎn)品上還在繼續(xù)使用干式光刻技術(shù)有關(guān)。他表示“當(dāng)時(shí)之所以會(huì)采用那種核心面積較大的設(shè)計(jì)規(guī)則，其目的并不是為了滿足Gate-last HKMG工藝的要求，而是要滿足使用干式光刻技術(shù)的要求。”(Intel在45nm制程節(jié)點(diǎn)仍然在使用干式光刻技術(shù)，直到32nm才開始使用沉浸式光刻技術(shù)。)
HKMG技術(shù)未來一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展趨勢：
High-k絕緣層的材料選擇方面，包括Intel公司的Bohr在內(nèi)，大家似乎都同意HfO2將在未來一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)被用作High-K層的材料，業(yè)界近期將繼續(xù)在改良HfO2材料上做文章，部分廠商可能還會(huì)考慮往HfO2層中添加一些特殊的材料，但他們近期不會(huì)把主要的精力放在開發(fā)介電常數(shù)更高的材料方面。
另外，有部分廠商的主要精力則會(huì)放在如何減小High-k層下面的SiO2界面層(IL)的厚度方面，其目標(biāo)是在High-k絕緣層的等效氧化物厚度為10埃時(shí)能把這種界面層的厚度降低到5埃左右。Sematech公司負(fù)責(zé)High-k項(xiàng)目研究的高管PaulKirsch表示：“業(yè)內(nèi)現(xiàn)在考慮較多的主要是如何進(jìn)一步優(yōu)化HfO2材料，而不是再花上五年去開發(fā)一種新的High-k材料。從開發(fā)時(shí)間要求和有效性要求方面考慮，目前最有意義的思路是考慮如何消除SiO2界面層和改善High-K絕緣層的介電常數(shù)值。”
Gatefirst在如何有效消除SiO2界面層(ZIL)方面的優(yōu)勢及各方評述：
消除SiO2界面層方面，在去年12月份舉辦的IEDM會(huì)議上，科學(xué)家們發(fā)布了多篇有關(guān)如何消除SiO2界面層的文章(ZIL:zerointeRFacelayer)，其中IBM的Fishkill技術(shù)聯(lián)盟也公布了自己的方案，并宣稱這種方案將在自己的gate-first32/28nm制程中使用。
耶魯大學(xué)的T.P.Ma教授表示，ZIL技術(shù)雖然非常吸引人，但通常需要使用高溫工步來消除SiO2界面層，而gate-first工藝制作的柵極則正好能夠承受這種高溫，所以這項(xiàng)技術(shù)對采用gate-first工藝的廠商比較有利。他認(rèn)為，按照他的理解，ZIL技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要使用“高溫化學(xué)反應(yīng)”來有效地去除柵極結(jié)構(gòu)中殘留的SiO2界面層，這樣這項(xiàng)工藝對使用gate-first工藝的廠家而言實(shí)現(xiàn)起來難度更小一些，而使用gate-last工藝的廠商則會(huì)盡量避免使用高溫工步。他還表示，IBM和Sematech公司所制出的ZIL結(jié)構(gòu)已經(jīng)能夠在5埃的等效氧化層厚度條件下達(dá)到較好的防漏電性能。
不過據(jù)Sematech公司的材料與新興科技研發(fā)副總裁RajJammy表示，盡管Sematech公司早期的ZIL結(jié)構(gòu)確實(shí)是在gatefirst工藝的基礎(chǔ)上制造出來的，但是“要制出ZIL未必需要依靠高溫處理工步，而主要是要去掉界面層中的氧離子。”他還強(qiáng)調(diào)不同的情況需要采用不同的熱處理方式來進(jìn)行處理，才能得到較好的管子參數(shù)。
而另外一篇IMEC的研究報(bào)告則指出，“我們制作ZIF的方法是需要進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼?，不過要生成理想的無界面層?xùn)艠O結(jié)構(gòu)的方法有很多種，因此未必說gatelast工藝就不利于ZIL的制作?！彼€表示應(yīng)該可以找到一種方案來兼顧ZIL與gatelast工藝的優(yōu)點(diǎn)。
另外，在被問及對ZIL技術(shù)的看法時(shí)，Intel高管Bohr回答稱，“在我的印象中這種技術(shù)并不是很有效，這主要是由于ZIL結(jié)構(gòu)對溝道的載流子遷移率有一定的不良影響，而如果我們能夠很好地控制界面層的材料和厚度，管子的性能一樣也可以達(dá)到要求”，他還表示“相比之下，我認(rèn)為我們應(yīng)該努力去改善High-K絕緣層的材料，并想辦法減小金屬電極的電容.”
Gartner市調(diào)公司的Freeman則表示，從28nm制程節(jié)點(diǎn)開始，臺(tái)積電公司與GlobalFoundries之間的HKMG產(chǎn)品由于所用的工藝不同，因此將存在比較明顯的區(qū)別。按照這樣的差別趨勢發(fā)展下去，一種最終的可能就是IBM和GlobalFoundries會(huì)在22nm制程節(jié)點(diǎn)馬上轉(zhuǎn)向Gate-last工藝，而另外一種可能就是由于gatefirst在ZIL方面的優(yōu)勢被實(shí)際的應(yīng)用證明，而將慢慢處于領(lǐng)先的位置。Freeman還表示：“在16nm制程節(jié)點(diǎn)，如何控制好管子的界面層，將是至關(guān)重要的。”
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