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32nm製程競賽開跑 半導體製造商競推高k/金屬閘技術

上網時間: 2008年02月22日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:32nm  半導體  高k/金屬閘 

儘管技術最先進的代工廠們才剛開始量產其45nm製程,但供應商們卻已經著眼於下一世代的挑戰了。各供應商們正競相開發並推出用於32nm節點的高k電介質與金屬閘;這或許可是廠商們迄今為止所面臨最嚴峻的挑戰。

高k電介質和金屬閘是微縮與實現下一代電晶體的關鍵建構模組。但這種技術的複雜性也引發一些問題:代工廠能否及時且具成本效益地利用高k材料和金屬閘展開大規模生產?

然而,在邁向高k/金屬閘發展的過程中出現了前閘極(gate-first)、閘極替換和混合等三種不同的方法,使一切變得更加複雜。就目前這個贏家尚未揭曉的複雜領域中,晶片製造商必然希望他們能下注於正確的代工技術。

IBM公司及共同合作夥伴-美商超微(AMD)、特許半導體(Chartered)、飛思卡爾半導體(Freescale)、英飛凌(Infineon)和三星(Samsung)等公司都尚未正式發佈32nm製程。但在日前舉行的國際電子元件會議(IEDM)上,IBM公司透露已經開發出用於32nm節點的高k前閘極技術。該技術將在2009年下半年正式供應給IBM及其聯盟成員所用,包括特許半導體和三星等代工廠。

IBM的勁敵、代工業的巨擘台積電(TSMC)公司也正悄悄地開發其高k/金屬閘技術,但目前也還未發佈時間表。TSMC透露,其通用的32nm製程計劃將在2009年第三或第四季投入量產。

其他一些先進的代工廠,包括富士通(Fujitsu)、中芯國際(SMIC)、東芝(Toshiba)和聯電(UMC),也正分別開發其高k/金屬閘解決方案。

然而,由於許多代工廠正忙於量產複雜的45nm製程,他們還有能力使高k和金屬閘技術付諸32nm量產嗎?尤其高k技術的開發工作相當複雜、成本高,且難度相當大。在32nm節點上,總體製程開發成本可能高達30億美元,大約是65nm時的2倍,Gartner公司指出。

至今為止,只有英特爾(Intel)和NEC Electronics公司宣佈可提供採用高k材料的邏輯元件。英特爾公司正推出以45nm製程製造、並採用高k與金屬閘技術的處理器。NEC則發表了基於高k技術和55nm製程的ASIC元件。

“代工廠開發高k技術所面臨的挑戰與IDM所面臨的挑戰是一樣的。”Gartner公司分析師Dean Freeman指出,“他們必須開發一種可整合金屬閘堆疊與高k電介質的電晶體製程。其挑戰之處在於如何正確地進行製程整合。”

不同的PMOS和NMOS材料也必須被整合於微縮的CMOS元件中。因此,在轉向採用高k技術時將會產生很大的副作用,包括可能降低元件性能的閾值電壓釘扎(threshold voltage pinning)等問題。

因此,針對像誰能將高k/金屬閘導入市場這樣的問題而言,更重要的或許是有誰會需要高k/金屬閘技術。該技術非常適用於低待機功率要求的無線元件,但“許多消費性應用卻並不需要高k和金屬閘。”Freeman說,“部份原因在於成本的考量。”

“根據我們對客戶的調查,對於高k材料的需求僅見於採用32nm以下製程技術時。在較大的製程節點中使用高k材料的好處並不明顯,因此我們還未接獲用戶出現這方面的要求。”東芝公司客製SoC和代工業務部門業務開發總監Rakesh Sethi表示。

圖說:各大代工廠的高k介電質/金屬閘技術時間表。
圖說:各大代工廠的高k介電質/金屬閘技術時間表。

邏輯元件的飛躍進展

高k電介質的應用並不是什麼新興技術。DRAM供應商過去曾經用它來減少持續微縮的記憶體設計中所用的電容尺寸。然而,該技術的新穎之處表現在以高k電介質和金屬閘來實現先進的邏輯元件。

幾十年來,邏輯晶片製造商一直在使用二氧化矽(SiO2)作為電晶體閘極電介質的關鍵絕緣材料,同時也部署多晶矽以形成NMOS和PMOS電晶體的閘電極。這種材料組合一直用到90nm節點,其後業界已經無法再進一步微縮SiO2閘極電介質了,因此導致了漏電流和功耗急劇上升。

為了解決90、65和45nm節點所遇到的這些難題,大多數的晶片製造商發明了應力工程技術,可用以暫時緩解改變閘極電介質或電極材料的需求。在45nm以後,高k材料可望代替SiO2,同時金屬閘將成為多晶矽電極的極佳替代品。因為,採用鉿材料的高k技術並不相容於多晶矽。

一些公司表現得比較超前。Intel公司正提供的45nm處理器採用的是閘極替換方法,而IBM採用的是前閘極技術。在前閘極技術中,與傳統CMOS製程一樣,閘極堆疊是在源極和漏極之前形成。閘極替換技術是一種閘極後加工的技術,其閘極堆疊的形成在源極和漏極之後。

今年一月份,IBM及其技術合作夥伴發佈了用於45nm節點的高k/金屬閘技術。IBM將這種技術稱為‘私有’技術,計劃在2008年度內,用於尚未透露的產品上。

業界曾推測IBM在整合PMOS部份時遇到了一些問題,因而延遲了其與合作夥伴的製程進展。但在最近的一次採訪中,IBM半導體研發中心副總裁Gary Patton表示,該公司的高k技術開發計劃進展順利。

IBM公司尚未推出任何採用高k材料的產品。但IBM的一家合作夥伴─AMD公司則不顧一切地要求在45nm節點採用高k技術,以便能迎頭趕上其競爭對手英特爾。但在談到IBM技術是否已準備就緒時,AMD表示並未承諾在45nm節點時一定要用高k技術,在該節點上改變電介質的作法只是一種‘備選方案’。

AMD公司將在其32nm產品中採用高k/金屬閘技術,AMD邏輯技術開發總監John Pellerin透露。John Pellerin也是該公司與IBM共同開發計劃的負責人。AMD希望能在2010年左右開始生產32nm高k晶片。

IBM及其合作夥伴聲稱已經採用高k前閘極的方法,開發出低功耗代工CMOS技術,並展示了32nm SRAM,其單元面積小於0.15平方微米,這可算是業界首款採用前閘極高k技術製造的32nm元件。

與用於45nm時的技術相較,高k材料可將整體晶片功耗降低多達45%,這是為手持裝置實現更長電池使用時間的重要因素,IBM表示。

多年來,台積電“一直致力於與比利時校際微電子中心(IMEC),以及德州儀器(TI)等合作夥伴共同合作開發高k技術和金屬閘。”Gartner公司的Freeman指出。

台積電“似乎有能力在2008年底或2009年初發佈其45nm節點的第二代高k/金屬閘製程。”Freeman表示。

台積電也可能將在2009年下半年於32nm節點中採用這種技術。最近,台積電已披露了來自IMEC在IEDM發佈的部份聲明,指出採用基於鉿的高k電介質和用於32nm節點的碳化鉭金屬閘後,對於改善CMOS性能方面的進展。

在CMOS元件中使用高k電介質的一項主要挑戰就是高閾值電壓,它可能會導致元件性能降低。但是IMEC聲稱只用了一個電介質堆疊和一個金屬層,便已能夠開發出一個簡單且低成本的整合方案。

在閘極電介質和金屬閘之間沈積了一層薄薄的電介質覆蓋層,能將元件功能調節到最佳的操作區,IMEC表示。基於鑭和鏑的覆蓋層用於NMOS,而基於鋁的覆蓋層則用於PMOS。採用這種技術後,IMEC的合作夥伴台積電和恩智浦(NXP)便能夠展示該公司所謂的‘絕佳的驅動電流’規格。

作者:馬立得、李伯喬、莫浩夫




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