HKMG来龙去脉

1.为什么要High-K。

随着CMOS电路线宽的不断缩小，晶体管的一个关键指标：栅氧厚度也要不断缩小。以intel为例90nm时代实际应用的栅氧厚度最低达到了1.2nm，45nm时代更是需要低至1nm以下的栅氧厚度。不过栅氧厚度是不能无限缩小的，因为薄到2nm以下的SiO2层不再是理想的绝缘体，会出现明显的隧穿泄漏，而且将随厚度减小指数级上升，1nm以下泄漏就会大到无法接受的程度。所以intel在45nm启用high-k。其他企业则将在32nm或28nm阶段启用high-k技术。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。

2.为什么HKMG会联系在一起

HK就是high-K栅介电层技术，而MG指的是metal gate--金属栅极技术，两者本来没有必然的联系。不过使用high-k的晶体管栅电场可以更强，如果继续使用多晶硅栅极，栅极耗尽问题会更麻烦。另外栅介电层已经用了新材料，栅极同步改用新材料的难度也略小一些。所以两者联合是顺理成章的事情。

3.gate first和gate last

现在CMOS集成电路制造用的是叫“硅栅自对准”工艺。就是先形成栅介电层和栅电极，然后进行源漏极的离子掺杂。因为栅极结构阻挡了离子向沟道区的扩散，所以掺杂等于自动和硅栅对齐的。

这样的步骤还有后面的激活步骤，退火步骤都是高温步骤。这些工序都是必需的。金属栅极经过这样的步骤可能发生剧烈反应和变化，为解决这问题，就是在离子参杂等步骤中还是按硅栅来，高温步骤结束后再刻蚀掉多晶硅栅极，再用合适的金属填充。这就是gate-last的意思。这就多了几步重要步骤，特别是金属填充，这么小的尺度的孔隙进行填充效率很低，提高速度的话质量就很难控制。而且线宽越小越麻烦。

不过虽然gate-last代价很大，很长时间以来人们都认为是HKMG必须的。ibm则是继续研发，找到了不必在制造时付出gate-last的代价的方案。比如intel采用的栅介电材料是氧化铪，所以底界面层，HK层，顶界面层，金属栅极层次分明。而ibm采用的介电材料是硅酸铪----成分是硅，氧和铪三种元素，与周围的硅和氧化硅发生反应的话结果仍然是硅，氧化硅，硅酸铪，与特定的栅极材料匹配，高温时候仍然是热动力学稳定的。另外gate first所谓的MG,其实只是栅介电层上薄薄一层高熔点金属----gate first仍然需要多晶硅栅极来实现“硅栅自对准”的其他工序。

4.gate first与gate last各自的优缺点

gate last的栅极甚至部分栅介电层避开了高温步骤，所以材料选择非常宽松，可以考虑高性能的材料。而且gate last的HKMG不影响其他生产步骤，所以就性能而言，gate last将很理想。当然其代价也是很大的，步骤多而严苛，所以其成本将会较高。

gate first从根本上来说目的就是为了降低成本，所以其优点不言而喻。不过它的代价也如影随形---虽然节省了加工步骤，但是其技术难度反而更高。另外由于栅极和栅介质要经过高温步骤，所以材料选择和控制也有很大限制，性能也会受一些影响。

5.阈值控制与ZIL

high-k介质能增加栅介电层厚度，降低栅泄漏，不过其高介电常数必然引来另一个问题，那就是沟道载流子迁移率下降的问题，或者说会导致阈值抬高，而这将导致MOS管的性能大大降低。要解决这问题，就需要在沟道和栅介电层之间另下功夫。以intel为例，他们在HfO2 high-k层与沟道之间保留了一层SiO2介电层，这样与沟道接触的一面是介电常数不到4的SiO2，迁移率下降的问题就不存在了。

不过保留这层界面层就会有另一个问题---high-k本来就是为了解决SiO2介电层不能继续减薄的问题。一般认为22nm阶段栅介电层等效厚度（EOT）要缩小到大约0.6nm。而SiO2层据说最小可以减薄到0.3nm。HfO2层最多只能有0.3*6=1.8nm厚，换句话说它也将出现不小的泄漏---high-k的意义何在？所以界面层在22nm时代就将是难以接受的了，取消界面层或者用另外的形式实现是必须的。

6.intel与IBM/AMD各自HKMG的细节

intel 45nm工艺的详细情况可以参考我以前的一篇文章http://blog.zol.com.cn/1402/article_1401099.html。就目前所知，其32nm工艺基本延续45nm工艺的思路，除了线宽，明显的区别就是加入了浸入式光刻，而这与HKMG关系不大。

IBM/AMD至今还没有32nm的实际产品。只能靠流传的信息来推测。首先是栅极材料，如上面所说，因为继续使用硅栅自对准技术，其栅极主体仍然是高掺杂的多晶硅和金属硅化物，只在介电层上沉积了一层金属。可以预计其电阻要比intel的后填充栅极材料略高，即栅极材料性能略差。介电层也与intel不同，ibm采用的是硅酸铪。不过严格来说并不准确，因为这层介电层其实是由Hf,O,Si三种元素组成的无定形材料，并非化学意义上的硅酸铪--仅仅是元素相同，三者比例也未必与化学式一致。因为gate first工艺栅介电层要经过高温步骤，硅酸铪相对而言是热动力学稳定的--个人估计ibm在沟道表面沉积的是铪和氧，所谓硅酸铪应该正是高温工艺的结果。虽然ibm实现ZIL更方便，不过要更早面对沟道载流子迁移率下降问题。

有人会问：从这两点看，ibm的gate first栅极和栅介电层材料性能岂不是都略逊intel的gate last？可是你的文章http://blog.pchome.net/article/284884.html里不是认为ibm公布的32nm性能反比intel的更强？要注意ibm使用的是SOI工艺。其沟道的泄漏特性略强于体硅工艺，所以ibm可以适当减小栅极电场强度，所以一般采用更厚的栅氧层，32nm也不例外。其阈值控制的方式也与体硅工艺大不相同。所以对体硅工艺不利的一些状况对于SOI工艺则未必有影响，甚至反而有好处。也就是说gate first配合SOI可以起到不逊于gate last配合体硅的效果。

7.为什么TSMC等企业偏向于gate last。

看了上一段就很容易明白，IBM和GF坚持gate first很正常，因为他们的高性能工艺都是基于SOI的，而他们的体硅工艺则往往面向低功耗产品，对性能要求不高。而TSMC等企业则是体硅为主，虽然gate first能简化工艺，不过其技术难度并不低，况且性能也很可能有折扣，他们倾向于gate last也是很自然的。