半导体业界的HKMG攻防战：详解两大工艺流派之争

　　随着晶体管尺寸的不断缩小，HKMG(high-k绝缘层+金属栅极)技术几乎已经成为45nm以下级别制程的必备技术.不过在制作HKMG结构晶体管的 工艺方面，业内却存在两大各自固执己见的不同阵营，分别是以IBM为代表的Gate-first工艺流派和以Intel为代表的Gate-last工艺流派，尽管两大阵营均自称只有自己的工艺才是最适合制作HKMG晶体管的技术，但一般来说使用Gate-first工艺实现HKMG结构的难点在于如何控制 PMOS管的Vt电压(门限电压);而Gate-last工艺的难点则在于工艺较复杂，芯片的管芯密度同等条件下要比Gate-first工艺低，需要设 计方积极配合修改电路设计才可以达到与Gate-first工艺相同的管芯密度级别。

　　HKMG实现工艺的两大流派：

　　Gate-last阵营：目前已经表态支持Gate-last工艺的除了Intel公司之外(从45nm制程开始，Intel便一直在制作HKMG晶体管时使用Gate-last工艺)，主要还有芯片代工业的最大巨头台积电，后者是最近才决定在今年推出的28nm HKMG制程产品中启用Gate-last工艺(有关内容详见这个链接)。

　　Gate-first阵营：Gate-first工艺方面，支持者主要是以IBM为首的芯片制造技术联盟 Fishkill Alliance的所属成员，包括IBM，英飞凌，NEC，GlobalFoundries, 三星,意法半导体以及东芝等公司，尽管该联盟目前还没有正式推出基于HKMG技术的芯片产品，但这些公司计划至少在32/28nm HKMG级别制程中会继续使用Gate-first工艺，不过最近有消息传来称联盟中的成员三星则已经在秘密研制Gate-last工艺(有关内容详见这个链接)。另外，台湾联电公司的HKMG工艺方案则较为特殊，在制作NMOS管的HKMG结构时，他们使用Gate-first工艺，而制作PMOS管时，他们则会使用Gate-last工艺。

　　HKMG的优势和缺点：

　　优势：不管使用Gate-first和Gate-last哪一种工艺，制造出的high-k绝缘层对提升晶体管的性能均有重大的意义。high-k技术不仅能够大幅减小栅极的漏电量，而且由于high-k绝缘层的等效氧化物厚度(EOT:equivalent oxide thickness)较薄，因此还能有效降低栅极电容。这样晶体管的关键尺寸便能得到进一步的缩小，而管子的驱动能力也能得到有效的改善。

　　缺点：不过采用high-k绝缘层的晶体管与采用硅氧化物绝缘层的晶体管相比，在改善沟道载流子迁移率方面稍有不利。

　　Gatefirst/Gatelast的优缺点差别分析与未来应用状况：

　　不过，采用Gate-first工艺制作HKMG结构时却有一些难题需要解决。一些专家认为，如果采用Gate-first工艺制作HKMG,那么由于用来制作high-k绝缘层和制作金属栅极的材料必须经受漏源极退火工步的高温，因此会导致PMOS管Vt门限电压的上升，这样便影响了管子的性能。而持不同观点的专家，包括GlobalFoundries公司的技术总监John Pellerin等人则强调Gate-first工艺不需要电路设计方在电路设计上做太多更改，而且性能上也完全能够满足32/28nm节点制程的要求。

　　Pellerin 强调：“我们肯定会在28nm节点制程上使用Gate-first工艺。其原因是我们的客户希望在转换到HKMG结构时能够尽量避免过多的设计变更。”

　　而台积电的技术高管蒋尚义则表示，类似的难题业界在20年前便曾经经历过：“当时业界同样曾经发现N+掺杂的PMOS栅极材料会造成Vt电压较高，这样业内一些公司便开始向沟道中掺杂杂质以压低Vt，结果却带来了很多副作用，比如造成短通道效应更为明显等等。”而目前使用Gate-first工艺制作HKMG晶体管的方案的情况则与此非常类似，尽管人们可以采用加入上覆层等方式来改善Gate-first工艺容易造成Vt过高的问题，但是加入上覆层的工艺却非常复杂和难于掌握。因此台积电干脆选择转向Gate-last工艺，不过Gate-last工艺实施时如果想保持与Gate-first工艺产品的管芯密度近似，需要设计方对电路Layout进行重新设计(有关台积电公司转向Gate-last工艺的详细介绍，请点击这个链接查看。)