英特尔赵军：为什么言45nm必说高K金属栅极

来源：电脑报作者：出处：巧巧读书 2008-04-17 进入讨论组

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　　高K-金属栅极：让发展得以继续

　　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，怎么办呢？既然继续采用二氧化硅作为栅极介电质没有前途，那么就要另辟蹊径，有没有可以代替二氧化硅的材料呢？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。

　　你知道吗：什么是材料的高介电常数和场效应？

　　一种材料应具有良好的绝缘属性，同时在栅极和晶体硅衬底的通道之间(源极和漏极之间)产生很好的场效应——就是高K。

　　高的绝缘属性和高-K属性都是高性能晶体管的理想属性。K 其实是电子学的工程术语，K源于希腊文Kappa，用于衡量一种材料存储电荷(正电荷或者负电子)的能力。类比于吸水的不同材料，海绵可以吸附和存储大量的水，木头可以存储一些水分，所以海绵比木头的“K值”更高。具有高K的材料可以比其他材料更好地存储电荷。

　　图2中，灰色部分采用了两种不同K值的材料，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两倍(图2中最左边和中间的相比)。如果K=2材料的厚度为K=1材料的两倍，那么存储电荷的能力就相同了(图2中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。

　　经历了无数次失败的痛苦，研究人员最终找到了一种基于金属铪(Hafnium)的氧化物，这种材料具有高K的潜质。不过这种材料作为新的栅极介电质和原来的栅极的多晶硅并不兼容。又经过了多次的试验和筛选，最后采用金属代替多晶硅作为栅极材料的办法来解决问题。图3就是目前标准晶体管结构的示意图，这种晶体管的材料在过去将近四十年没有太大的变化：在晶体硅衬底的栅极是多晶硅，栅极介电质是二氧化硅。而图4是新的“高-K 栅极介电质+金属栅极”晶体管(介电质也称为介质)。

　　大幅降低功耗，新材料的优势

　　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。图5是采用了新材料做出来的晶体管示意图，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(图5中S到D箭头方向)；栅极氧化物介电质漏电降低 9/10以上(图5中从上到下的箭头方向)；驱动电流效率提升20%以上，即晶体管的性能提升20%。

　　从单个数字看可能不是特别激动人心，不过我们想像一下，一颗芯片上数以亿计的晶体管，每个晶体管都能得益于这样的飞跃，那么累计提高的能效和减少的漏电无异于“蚂蚁雄兵”，非常可观。把晶体管做得更小，漏电更低、能效更高以及性能更高的物理瓶颈就得以突破了。

　　英特尔公司已经于去年11月份开始量产45nm的基于高-K栅极介电质+金属栅极晶体管的处理器产品，产品覆盖整个产品线：服务器、台式机和笔记本。这项创新技术的量产时间比业界同行整整提早了至少两年时间。按照计划和估计，英特尔公司45nm量产的芯片将于2008年第三季度超过65nm量产的芯片，制程新旧更替就在这个时刻。

　　虽然英特尔今天成功地越过了研制量产45nm和高-K栅极介电质+金属栅极晶体管的障碍，但是按照摩尔定律，两年以后，就是2009年，就要试产新一代的生产工艺——32nm。摆在英特尔公司面前的道路当然不是一马平川，不过，我们相信这些困难和障碍在英特尔人面前都会变成历史。

　　写在最后

　　在不断的创新过程中，正因为英特尔的研究人员找到了基于金属铪的氧化物这种具有高K的潜质的材料，才让处理器的发展得以继续。采用高K-金属栅极最大的好处就是可以减少漏电，提高驱动电流效率让晶体管的性能提升。也正是因为高K-金属栅极的出现，改变了四十多年来大家对传统晶体管的认识，让世人知道“原来晶体管还可以这么做”。它同时也为从45nm制程过渡到下一代的32nm打下了坚实的基础。

　　作者简介：赵军

　　赵军于1995年6月毕业于北京大学计算机系并获得计算机科学理学硕士学位，之后在北京大学信息管理系任教(助教)直到1997年6月。

　　在1997年7月，赵军加入英特尔公司就任计算机平台技术工程师。从2000年到2003年，他在英特尔中国OEM部门担任高级技术工程师，并于2001年获得“英特尔成就奖”。2003年10月~2007年5月，赵军在英特尔(中国)公司担任工程技术经理、技术市场经理、资深架构经理。2007年6月开始，赵军担任英特尔中国区家用台式机市场经理。

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