高K-金属栅极技术课件

从65nm到45nm到32nm高K-金属栅极技术旧金山秋季IDF2010第一天，Intel不负重望地全面展示了下一代处理器家族“SandyBridge”，并首次公布了大量深入的技术细节和精美的晶圆照片。在会上Intel副总裁兼架构事业部总经理浦大卫先生为大家详细介绍了SandyBridge。Intel宣称SandyBridge采用了全新设计的微架构，属于Tick-Tock(奇数年更新制作工艺，偶数年更新微架构)发展策略中的Tock环节。本次SandyBridge最大的亮点是将引入“高级矢量扩展”指令集，简称“AVX”(之前称作VSSE)，其重要性堪比1999年PentiumIII引入SSE,从理论上看CPU内核浮点运算性能提升到了2倍。其主要特点特点分为以下几部分：1、更宽的矢量运算：从128-bit增至256-bit，并保持向下兼容性2、增强的数据重排：单个操作可同时处理8个32-bit数据3、支持三操作数和四操作数，非破坏性句法4、支持弹性的访存地址不对齐5、可扩展的新操作码(VEX)谈到高K材料的出现就不得不说晶体管的发展历史在130纳米时代，铜制互连材料取代了铝制互连材料，显著降低了电阻。在90纳米时代，我们发明了应变硅晶体管，大幅提升了性能。在45纳米时代，我们引入了革命性的高k金属栅极晶体管，不仅提升了性能，还降低了漏电能耗。在32纳米时代，我们引入了第二代高k金属栅极晶体管，在性能和低能耗方面又向前迈进了一大步。Pentium4处理赛扬4酷睿2双核处理器酷睿i7处理器处理器的发展在这里有个概念需要说下：我们通常所说的32nm的工艺制程，不是指的芯片上每个晶体管的大小，也不是指用于蚀刻芯片形成电路时采用的激光光源的波长，而是指芯片上晶体管和晶体管之间导线连线的宽度，简称线宽。当工艺每次提升的时候我们在字面上紧紧看到的是数字的提升，给大家的感觉好像是从65nm到45nm同以前从130nm到90nm，以及从90nm到65nm一样没有什么特别的。根据摩尔定律，就是每18个月，在同样面积的硅片上把两倍的晶体管“塞”进去，从单个晶体管的角度来看，为了延续摩尔定律，我们需要每两年把晶体管的尺寸缩小到原来的一半。现在的工艺已经将晶体管的组成部分做到了几个分子和原子的厚度，组成半导体的材料已经达到了它的物理电气特性的极限。最早达到这个极限的部件是组成晶体管的栅极氧化物——栅极介电质。以前的工艺都是采用二氧化硅(SiO2)层作为栅极介电质。大家也把源极(Source)和漏极(Drain)之间的部分叫做沟道(Channel)，在栅极氧化物上面是栅极(Gate)，如右图所示。

晶体管的工作原理其实很简单，就是用两个状态表示二进制的“0”和“1”。源极和漏极之间是沟道，当没有对栅极(G)施加电压的时候，沟道中不会聚集有效的电荷，源极(S)和漏极(D)之间不会有有效电流产生，晶体管处于关闭状态。可以把这种关闭的状态解释为“0”，当对栅极(G)施加电压的时候，沟道中会聚集有效的电荷，形成一条从源极(S)到漏极(D)导通的通道，晶体管处于开启状态，可以把这种状态解释为“1”。这样二进制的两个状态就由晶体管的开启和关闭状态表示出来了。我们可以把栅极比喻为控制水管的阀门，开启让水流过，关闭截止水流。晶体管的开启/关闭的速度就是我们说的频率，如果主频是1GHz，也就是晶体管可以在1秒钟开启和关闭的次数达10亿次。关闭状态的晶体管导通状态的晶体管从65nm开始，我们已经无法让栅极介电质继续缩减变薄，而且到45nm，晶体管的尺寸要进一步缩小，源极和漏极也靠得更近了，如果不能解决栅极向下的漏电问题以及源极和漏极之间的漏电问题，新一代处理器的问世可能变得遥遥无期。这里要解释下。最先漏电严重的要从90nm工艺开始算起。在同样的电压下晶体管的数量越多电流的传导就越困难，只有加大电压才能解决，但是加大电压也势必会造成漏电。这就是为什么90nm的工艺功耗不降反升了。

现有材料都到物理极限了，进一步缩小二氧化硅层是不可能的了，最好的办法就是寻找比二氧化硅更好的“绝缘体”，用以更好地分隔栅极和晶体管的其他部分，而且替代材料需要具有比二氧化硅更高的介电常数和更好的场效应特性。

标准晶体管结构的示意图

下面的示意图中，采用了2种不同K值的材料(灰色部分)，为了方便说明，假定最左边材料的K值为1，中间和最右边材料的K值为=2。

给定相同的电压V+(图示中为正电压)，如果材料的厚度相同，K=2的材料存储电荷的能力是K=1的材料存储电荷能力的2倍——图示最左边和中间的相比。如果K=2材料的厚度为K=1材料的2倍，那么存储电荷的能力就相同了——图示最左边和最右边的相比。

拥有更高的“K”值的材料可以和目前的二氧化硅做得一样厚，也可以更厚些——同时保持着更理想的属性。因此，高K材料可以大幅减少漏电量。

而新的“高-K栅极介电质+金属栅极”晶体管(介电质也称为介质)确定了新的材料，又历经了重重艰辛，终于让45nm的制程达到了量产。现在看看新的材料在“高-K栅极介电质+金属栅极”晶体管中带来了什么样的奇特效果。这种“高-K栅极介电质+金属栅极”晶体管与前一代“传统材料”做的晶体管相比，有质的飞跃——源极(S)到漏极(D)的漏电降低4/5以上)；栅极氧化物介电质漏电降低9/10以上；驱动电流效率提升20%以上，即晶体管的性能提升20%。这里就可以解释为什么新的I系列处理器的功耗和电压为什么那么低了而且超频能力更强了！

32纳米量产曲线对比之前最快量产能力的45纳米技术，反映了32纳米快速投入量产的能力。Intel对45纳米制程的量产过程和产量感到非常自豪。利用45纳米技术，Intel展示了能够快速降低芯片不良品率的实力。这种进步是通过革命性特性和新的行业领先技术取得的。45纳米处理器是Intel有史以来产量最高的制程。32纳米制程的产量将达到或超过了极为成功的45纳米制程。缺陷率的降低幅度(相对于45纳米技术)已达到两年内的预期，Intel在2009年第四季度开始的生产中已实现低不良品率和高产量。

SandyBridge