英特尔为什么牛——后栅极工艺浅谈

    很多人知道28nm制程比40纳米先进，耗电更低、发热更少、集成的晶体管更多。更进一步，不少人还知道HKMG（high-k绝缘层+金属栅极）是实现更先进制程的必备技术。但了解HKMG的两种工艺——前栅极/后栅极的人就很少了吧。HKMG的这两种工艺对芯片性能/功耗的影响，同样十分巨大。

    为了让大家对芯片制造工艺好坏有一个全面认识，先普及下几个重要的概念。

    线宽

    28nm和40nm指的是芯片上晶体管和晶体管之间导线连线的宽度。半导体业界习惯用线宽这个工艺尺寸来代表硅芯片生产工艺的水平。线宽越小，晶体管也越小，让晶体管工作需要的电压和电流就越低，晶体管开关的速度也就越快，这样新工艺的晶体管就可以工作在更高的频率下，随之而来的就是芯片性能的提升。简而言之就是，线宽越小，芯片更省电的同时，性能还会提高。

    晶体管栅极

    我们通过所说的芯片上的晶体管，是指金属氧化物半导体场效应管（简称：金氧半场效晶体管，MOSFET），有栅极（gate）、漏极（drain）、源极（source）三个端。

    其中缩小栅极面积让晶体管尺寸变小，是工艺进化的关键。HKMG指的就是金属栅极/高介电常数绝缘层（High-k）栅结构，相对于传统的poly/SiON多晶硅氮氧化硅，下面的图表可以直观地展示它们的不同。

    阻碍传统的poly/SiON栅极面积做小的原因，是下方的氧化物绝缘层（主要材料是二氧化硅，不过有些新的高级制程已经可以使用如氮氧化硅silicon oxynitride, SiON做为氧化层之用）的厚度是不能无限缩小的。栅极氧化层随着晶体管尺寸变小而越来越薄，目前主流的半导体制程中，甚至已经做出厚度仅有1.2纳米的栅极氧化层，大约等于5个原子叠在一起的厚度而已。在这种尺度下，所有的物理现象都在量子力学所规范的世界内，例如电子的穿隧效应。因为穿隧效应，有些电子有机会越过氧化层所形成的位能障壁（potential barrier）而产生漏电流，这也是今日集成电路芯片功耗的来源之一。为了解决这个问题，有一些介电常数比二氧化硅更高的物质被用在栅极氧化层中。

    high-k工艺就是使用高介电常数的物质替代SiO2作为栅介电层。intel采用的HfO2介电常数为25，相比SiO2的4高了6倍左右，所以同样电压同样电场强度，介电层厚度可以大6倍，这样就大大减小了栅泄漏。后来，intel在 45nm 启用了 high-k ，其他企业则已在或将在 32nm/28nm 阶段启用 high-k 技术。high-k技术不仅能够大幅减小栅极的漏电量，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。

    简而言之，与poly/SiOn相比，使用HKMG栅极，晶体管能做的更小，漏电也更少。目前同制程下，HKMG比poly/SiON耗能低30-35%，所以理论上，32nm的HKMG耗能差不多等同于22.5-24nm的poly/SiON。

    前栅极/后栅极

    前面我们论证了HKMG相对于poly/SiON的优势，但很少人知道，即使同样是HKMG栅极，如果采用不同的制造工艺——前栅极（gate-first）/后栅极（gate-last），芯片表现是不一样的。
煮机上一篇文章已经说过，前栅极工艺制作HKMG，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，会导致晶体管Vt门限电压上升，这样会影响管子的性能。具体表现，就是当处理器运算的频率高的时候，功耗就会很大。

    所以，在高性能/低功耗方面，使用后栅极工艺HKMG栅极的芯片较好。