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45nm製程競賽展開 晶片製造商取得高k技術突破

上網時間: 2007年04月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:high-k dielectrics  metal gates  高K電解質  金屬閘 

針對邏輯設計中使用的先進閘極堆疊應用,IBM、英特爾和Sematech近日分別發表其於高k電介質和金屬閘研發方面所取得的成果突破。

英特爾透露了更多其45nm製程細節,表示已採用了高k電介質和金屬閘極兩種材料。英特爾宣稱是首批在電晶體開發中採用這種新材料的晶片製造商之一。在45nm及更先進製程節點的邏輯設計閘極堆疊應用中,高k電介質薄膜預計將取代目前使用的二氧化矽,另外,多晶矽也將被金屬閘極所取代。

英特爾在閘極堆疊應用中,為其高k薄膜採用了一種基於厚鉿(Hf)的材料。英特爾聲稱,相較於目前使用的二氧化矽技術,新材料將有助提升整體性能,同時將電晶體的漏電流降低10倍。

該新技術將協助英特爾實現其最新的45nm Penryn微處理器設計。這款尚未問世的處理器基於英特爾的Core微處理器架構。預計在今年稍晚推出的Penryn系列產品中,雙核心和四核心處理器分別包含4億和8億多個電晶體。

為了領先競爭對手,英特爾於去年率先公開其45nm製程的原始細節,並聲稱已經生產出全球首款基於該技術的晶片。英特爾的45nm製程代號為P1266,據稱整合了銅互連、低k電介質、應變矽與其它特性。

當時,英特爾並未透露在最具關鍵性的閘堆疊中是否採用二氧化矽或高k電介質薄膜。而現在,英特爾表示將在電晶體的閘極電介質中採用一種具有高k特性的新材料,而電晶體閘極電極則採用一種新的金屬化合物。

高k材料一直廣泛應用在DRAM的電容架構開發過程中,但由於整合、材料和成本等問題,這項技術一直很難被應用在邏輯設計中。因此,在針對邏輯晶片的電晶體技術中,高k和金屬閘便被視為是主要的突破點。四十多年來,二氧化矽一直被用來製造電晶體閘極電介質,但在比45nm製程更先進的邏輯晶片設計中,二氧化矽將遭遇到難以踰越的障礙。

英特爾已在其65nm製程技術中將二氧化矽的厚度降到1.2nm─僅相當於5個原子層的厚度。為了繼續取得進展,英特爾在閘極電介質中採用基於厚鉿的高k電介質來取代二氧化矽,使漏電流降低了10倍。

英特爾並未透露用於高k電介質薄膜的確切材料為何,但該公司採用了原子層沈積工具來實現該技術─一次一個原子層。在所可能採用的各種的高k電介質材料中,包括鉿和矽酸鋯及其他氧化物均位列其中,其電介質常數值約在3.9到26之間,而二氧化矽的電介質常數是3.9。

由於高k閘極電介質與目前的矽閘極電極不相容,所以在英特爾45nm電晶體材料方案中的第二個關鍵部份是新金屬閘材料的開發。“在金屬閘極中有兩層,”英特爾資深研究院士Mark Bohr介紹:“他們分別針對NMOS和PMOS進行了最佳化。”


高k與金屬閘兩種新材料為提升更高性能與降低漏電流而鋪路。

提升密度

整體來看,英特爾45nm製程技術的電晶體密度據稱比65nm製程提升了約一倍。將高k閘極電介質與金屬閘極共同用於英特爾的45nm製程技術,可使驅動電流增加20%以上,以獲得更高的電晶體性能。同時,它可將源極到漏極的電流泄漏減少到原來的五分之一,改善電晶體能效。

在另一項聲明中,IBM透露了其於高k材料和金屬閘極方面的開發進展。在這項由IBM與AMD、Sony和東芝共同展開的研究中,IBM聲稱已經找到一種能夠用新材料來建構電晶體關鍵部份的途徑,為邁向較過去更小、更快與更高功效的晶片電路開發出一條路徑。

與英特爾一樣,IBM也未透露其高k電介質採用何種基於鉿的材料。但IBM確切表示,它已在其位於紐約州East Fishkill的半導體生產線上使用了這項技術。在2008年,IBM將在線寬小至45nm的晶片製程中使用該材料。

“截至目前為止,晶片產業面臨的主要障礙是能將現有技術延伸到多遠,”IBM Research科學和技術副總裁T.C.Chen表示。

晶片研發聯盟Sematech也不落人後,它展示出用於建構高性能NMOS和PMOS電晶體的高k/金屬閘極堆疊。PMOS和NMOS材料被整合於高度微縮的CMOS元件中,該元件具有與傳統多晶矽類似的低閾值電壓。這些新材料具有範圍介於1~1.2nm的等價氧化物厚度,Sematech介紹。

此外,該CMOS元件採用目前晶片製造商通常使用的傳統前閘極高溫處理流程製造,而不至於減弱驅動電流或其它性能特徵。所顯示的性能是在未採用底層反向摻雜、以及其它特殊或複雜製程措施下所實現的。

作者:馬立得




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