材料突破-Hafnium High-k栅介质

材料突破-Hafnium High-k栅介质

　　是什么东西担当起救世主的角色延续了英特尔CPU技术的高速发展，继续验证摩尔定律呢。他们是High-k栅介质和金属栅极晶体管。这两个尖端技术带来重大的性能提升和降低漏电，可实现产品由65纳米向45纳米的顺利过渡，现在我们已经可以在市场上买到千元级别的45纳米新式处理器，促成这巨大技术进步的基础是半导体领域材料科学的发展，以下笔者将细致展开关于英特尔引入的High-k栅介质+金属栅极晶体管两项新材料的细节。

　　● High-K栅介质

　　二氧化硅有着非常简易的制造方法，之前半导体制造商都采用二氧化硅作为为绝缘层的材料。英特尔在导入65纳米工艺时，已经成功将二氧化硅的厚度降至1.2纳米—相当于五层原子的厚度 的极限水平。然而在45纳米工艺时代，英特尔不得不谋求新的绝缘层材料使得摩尔定律得以延续—以Hafnium(铪)为基础的High-k材料， 因为High-K材料对电子泄漏的阻隔效果比二氧化硅强。这种材料对电子泄漏的阻隔效果可以达到传统材料二氧化硅的10倍，电子泄漏基本被阻断，可大幅减少漏电量。

　　介电常数(K-希腊文字Kappa简写)是用来衡量材料能储存电荷能力的一种系数，不同种类的材料其K值一般来说是不同的，二氧化硅其k值为3.9，而超过这个数值的材料我们就习惯称之为High-k材料。那么为什么要用High-K材料取代二氧化硅呢？这还得从电子泄漏说起。

　　● 解决电子泄露

　　英特尔从90纳米工艺到45纳米前，在晶体管栅极上大规模使用的是应变硅技术，而应变硅技术的着眼点在于加速晶体管内部电流的通过速度，让晶体管获得更出色的效能。所谓的应变硅是指一种仅有1.2纳米厚度的超薄氧化物层，利用应变硅代替原来的高纯硅制造晶体管内部的通道，如此一来，可以让晶体管内的原子距离拉长，从而实现单位长度上原子数目减少的目的。当电子通过这些区域时所遇到的阻力就会减少，从而提高了晶体管性能 。

　　与应变硅技术加速晶体管内电流速度相反，在不同晶体管之间需要的是绝缘，以避免泄漏的问题。在90纳米工艺之前，泄漏问题并不严重，因为晶体管之间有较长的距离。但转换到90纳米工艺之后，不同晶体管的间距变得非常之短，电流泄漏现象变得异常严重。而为了抵消泄漏的电流，芯片不得不要求更大的供电量，造成的直接后果就是芯片功耗增加。我们可以看到，无论英特尔还是AMD，90纳米制程所生产的产品都没有在功耗方面表现出应有的优势，而按照惯例，每次新工艺都会让同型芯片的功耗降低30％左右。

　　IBM和AMD在65纳米产品生产上采用了SOI技术，虽然SOI有效隔断了各电极向衬底流动的漏电流，使其只能通过晶体管流动，但SOI技术对于同一层面的晶体管之间的阻隔效果并不理想。由于传统的二氧化硅作为门和通道之间的绝缘层已经显现出问题而新研发的SOI技术并不能从根本上解决此问题，英特尔 最终研发出前文所述的Hafnium High-k材料攻克了难关